[論文レビュー] Insight into bulk niobium superconducting RF cavities performances by tunneling spectroscopy

Nickolas Groll, G. Ciovati+4 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、点接点トンネル分光法を用いて、バルク窒化ニオブiumRFキャビティ内の超伝導特性を比較し、窒素ドーピングされたキャビティが均一でほぼ理想の超伝導ギャップ（Δ ≈ 1.5–1.6 meV）と低い対破壊率（Γ/Δ ≈ 4.8%）を示すことが明らかになった。これは、高電場域における反Q勾配性能と相関している。一方、従来のキャビティは不均一なギャップと高いΓ/Δを示し、Kondoピークを示しており、磁性不純物および欠陥を有する酸化物が高温域でのホットスポットとQの劣化を引き起こしていることを示している。

ABSTRACT

Point contact tunneling (PCT) spectroscopy measurements are reported over wide areas of cm-sized cut outs from niobium superconducting RF cavities. A comparison is made between a high-quality, conventionally processed (CP) cavity with a high field Q drop for acceleration field E $>$ 20 MV/m and a nitrogen doped (N-doped) cavity that exhibits an increasing Q up to fields approaching 15 MV/m. The CP cavity displays hot spot regions at high RF fields where Q-drop occurs as well as unaffected regions (cold spots). PCT data on cold spots reveals a near ideal BCS density of states (DOS) with gap parameters, $Δ$ as high as 1.62 meV, that are among the highest values ever reported for Nb. Hot spot regions exhibit a wide distribution of gap values down to $Δ\sim$ 1.0 meV and DOS broadening characterized by a relatively large value of pair-breaking rate, $Γ$, indicating surface regions of significantly reduced superconductivity. In addition, hot spots commonly exhibit Kondo tunneling peaks indicative of surface magnetic moments attributed to a defective oxide. N-doped cavities reveal a more homoegeneous gap distribution centered at $Δ\sim$ 1.5 meV and relatively small values of $Γ/Δ$. The absence of regions of significantly reduced superconductivity indicates that the N interstitials are playing an important role in preventing the formation of hydride phases and other macroscopic defects which might otherwise severely affect the local, surface superconductivity that lead to hot spot formation. The N-doped cavities also display a significantly improved surface oxide, i.e., increased thickness and tunnel barrier height, compared to CP cavities. These results help explain the improved performance of N-doped cavities and give insights into the origin of the initial increasing Q with RF amplitude.

研究の動機と目的

• 従来のバルク窒化ニオブium超伝導RFキャビティにおける高電場域Q劣化（HFQS）の微視的起源を理解すること。
• 窒素ドーピングが表面超伝導特性に与える影響と、従来処理法と比較したRF性能向上のメカニズムを調査すること。
• 密度状態および酸化物バリア特性のトンネル分光測定結果と観測されたRFキャビティ性能を関連付けること。
• 磁性不純物、水素化物相、酸化物品質がキャビティ性能を制限する役割を特定すること。
• ドーピングされたキャビティにおける反Q勾配の原因が、表面均一性の向上と非弾性散乱の低減にあるかどうかを特定すること。

提案手法

• 1.3 GHzのニオブiumRFキャビティから切り出されたcmサイズの断片を用い、点接点トンネル分光法（PCTS）を実施した。対象は、バッファド・ケミカル・ポリッシュド（BCP）処理を施した従来のキャビティと、窒素ドーピング処理を施したキャビティである。
• PCTSは、超伝導状態密度（DOS）を測定し、トンネル分光スペクトルから超伝導ギャップΔと対破壊率Γを抽出した。
• トンネル分光スペクトルを用いてMcMillanモデルを適用し、BCSに類似したDOSにフィッティングすることで、酸化物トンネル障壁の厚さと仕事関数を推定した。
• 電子的性質と表面化学および構造の関連を明らかにするために、補足的な表面分析技術を用いた。
• RFテストおよび熱マッピングによりホットスポットとコールドスポット領域を特定し、その後、対象となるPCTS測定を実施した。
• スペクトルに観察されたKondoピークを分析し、局所的な磁性モーメントの存在を検出することで、表面に存在する磁性不純物を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のBCPニオブiumキャビティにおけるホットスポットとコールドスポットの間で、超伝導ギャップ（Δ）と対破壊率（Γ）にどのような差が生じるか？
• RQ2 窒素ドーピングが、キャビティ表面における超伝導ギャップの均一性とΓ/Δの分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 表面に存在する磁性不純物および欠陥を有する酸化物が、従来のキャビティにおける高電場域Q劣化を引き起こす役割を果たすか？
• RQ4 なぜ窒素ドーピングキャビティは反Q勾配を示すのに対し、従来のキャビティは高電場域でQが低下するのか？
• RQ5 トンネル分光測定結果が、観測されたRFキャビティ性能および表面酸化物品質とどの程度相関しているか？

主な発見

• 従来のBCPキャビティのコールドスポットでは、BCS密度状態に近く、1.62 meVという非常に高い超伝導ギャップΔを示し、ニオブiumにおいて報告された最高値の一部に相当する。
• BCPキャビティのホットスポット領域では、Δ ≈ 1.0 meVまで低下する広いギャップ分布と高い対破壊率Γを示しており、超伝導性が著しく低下していることが示された。
• ホットスポット領域ではKondoトンネルピークが観察され、欠陥を有する表面酸化物に起因する局在的磁性モーメントの存在が示唆された。
• 窒素ドーピングキャビティでは、Δ ≈ 1.5 meVを中心とした均一なギャップ分布と、4.8 ± 1.6%という低いΓ/Δ比を示しており、RF性能の向上と整合的である。
• 窒素ドーピングキャビティでは、低Δおよび高Γ/Δを示す領域が存在しないため、窒素の間隙原子が水素化物の生成と欠陥関連不均一性を抑制していると考えられる。
• 窒素ドーピングキャビティは、より厚く絶縁性の高い自然酸化被膜を有しており、トンネル障壁の高さも上昇しており、これにより散逸が低減され、観測された反Q勾配が誘導されている。