[論文レビュー] Lower Critical Field Measurement of NbN Multilayer Thin Film Superconductor at KEK

Hayato Ito, H. Hayano+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 11被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、KEKにおける局所的5 mm径ソレノイドコイルを用いた3次高調波応答法により、NbN-SiO2-Nbマルチレイヤー薄膜の下臨界磁界（Hc1）を測定し、Hc1の向上がNbN層厚さに依存することを示した。結果として、バルク窒化ニオブiumに対して24–31%のHc1の増大が確認され、理論的予測（欠陥抑制係数η = 0.7–0.8）と一致する最適なNbN層厚さで最大性能を示した。

ABSTRACT

The multilayer thin film structure of the superconductor has been proposed by A. Gurevich to enhance the maximum gradient of SRF cavities. The lower critical field Hc1 at which the vortex start penetrating the superconducting material will be improved by coating Nb with thin film superconductor such as NbN. It is expected that the enhancement of Hc1 depends on the thickness of each layer. In order to determine the optimum thickness of each layer and to compare the measurement results with the theoretical prediction proposed by T. Kubo, we developed the Hc1 measurement system using the third harmonic response of the applied AC magnetic field at KEK. For the Hc1 measurement without the influence of the edge or the shape effects, the AC magnetic field can be applied locally by the solenoid coil of 5mm diameter in our measurement system. ULVAC made the NbN-SiO₂ multilayer thin film samples of various NbN thicknesses. In this report, the measurement result of the bulk Nb sample and NbN-SiO₂ multilayer thin film samples of different thickness of NbN layer will be discussed.

研究の動機と目的

• 端効果を最小限に抑えたNbN-SiO2-Nbマルチレイヤー薄膜の有効下臨界磁界（Hc1）の測定。
• バルク窒化ニオブiumに対するHc1向上を最大にする最適なNbN層厚さの特定。
• 超伝導体-絶縁体-超伝導体（S-I-S）構造におけるHc1向上の理論的予測の妥当性の検証。
• 今後のSRFキャビティ開発に向け、低温でのHc1測定を安定的に行うための3次高調波検出を用いた信頼性の高い測定システムの確立。

提案手法

• 液体ヘリウム温度での正確な温度制御とサンプル位置決めを可能にする、2段階の銅ステージを備えたカスタムクライオスタットを用いた。
• 端効果を最小限に抑えるために、5 mm径のソレノイドコイルを用いて局所的な交流磁界（1 kHz）を印加した。
• ヴォルテックスの浸透開始を示すHc1を特定するために、ソレノイドコイルで発生する3次高調波電圧（3 kHz）を検出する。
• システムは1 kHz信号発生器、バンドパスフィルタ、および3 kHzバンドパスフィルタを用い、3次高調波応答を分離・増幅した。
• 温度依存的Hc1を測定するため、サンプル温度をゆっくりと上昇（≤0.1 K/min）させながら3次高調波信号をモニタリングした。
• 磁界校正は、既知のHc1(0) = 180 mTを有するバルクNbに対してAC電流と磁界を相関させることで実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbN層厚さの関数として、NbN-SiO2-Nbマルチレイヤー薄膜の有効Hc1はどのように変化するか？
• RQ2 T. KuboとA. Gurevichによる理論的予測と、NbN-SiO2-Nb構造における測定されたHc1向上は一致するか？
• RQ3 マルチレイヤー構造においてHc1向上を最大にする最適なNbN層厚さは何か？
• RQ4 現象論的係数ηでモデル化されるNbN層内の欠陥が、測定されたHc1およびその厚さ依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 KEKにおける3次高調波測定システムは、端効果や形状効果を無視してHc1を信頼性高く測定できるか？

主な発見

• NbN-SiO2-Nbマルチレイヤーの有効Hc1は、バルク窒化ニオブiumに比べ24–31%向上しており、最適なNbN層厚さで最大の向上が観察された。
• すべてのNbN-SiO2-Nbサンプル（200 nmサンプルの最終調整後を除く）の測定Hc1値は、η = 0.7–0.8を用いた理論的予測とよく一致した。
• 200 nmのNbNサンプルは、最終調整後、Hc1が226 ± 18 mTから199 ± 4 mTに低下したが、これは老化または表面劣化の影響による可能性が高い。
• 欠陥抑制係数ηが低下するほど、Hc1向上を最大にする最適なNbN層厚さはより薄くなる。
• 3次高調波測定システムは、端効果を効果的に低減し、5 Kまで低い温度でも正確なHc1の決定を可能にした。
• これらの結果は、NbN-SiO2-Nbマルチレイヤーを用いた超伝導体ラジオ周波数（SRF）キャビティの実用化が可能であり、より高い加速勾配を達成できる可能性を示唆している。