[論文レビュー] Maintaining high Q-factor of superconducting YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-x}$ microwave cavity in a high magnetic field

Danho Ahn, Ohjoon Kwon+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、多角形アルミ構造上に商業的に入手可能な指向性配列YBCOテープを用いて作製された超伝導性YBa₂Cu₃O₇₋ₓ（YBCO）マイクロ波キャビティが、高磁場下でも高いQファクターを維持することを示した。このキャビティは3.5 Tで最大155,000のQファクターを達成し、8 Tまで数パーセントのわずかな劣化にとどまり、axionダークマター検出や加速器などの高磁場用途に向けたHTSキャビティの実現可能性を裏付けた。

ABSTRACT

A high Q-factor microwave resonator in a high magnetic field could be of great use in a wide range of fields, from accelerator design to axion dark matter search. The natural choice of material for the superconducting cavity to be placed in a high field is a high temperature superconductor (HTS) with a high critical field. The deposition, however, of a high-quality, grain-aligned HTS film on a three-dimensional surface is technically challenging. We have fabricated a polygon-shaped resonant cavity with commercial YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-x}$ (YBCO) tapes covering the entire inner wall and measured the Q-factor at 4 K at 6.93 GHz as a function of an external DC magnetic field. We demonstrated that the high Q-factor of the superconducting YBCO cavity showed no significant degradation from 1 T up to 8 T. This is the first indication of the possible applications of HTS technology to the research areas requiring a strong magnetic field at high radio frequencies.

研究の動機と目的

• axionダークマター検出や加速器に不可欠な強磁場下でも高いQファクターを維持できる超伝導マイクロ波キャビティの開発を目的とする。
• 三次元の凹面に高品質で指向性配列のYBCO薄膜を堆積させる技術的課題を克服することを目的とする。
• 商業的に入手可能なYBCOテープを用いて、高磁場環境下で機能的かつ高性能なキャビティを実現できることを実証することを目的とする。
• 従来のNbキャビティが臨界磁場が低いために失敗する高周波・高磁場用途において、HTSベースのキャビティの実用可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• アルミから成る12ピースの多角形キャビティを製作し、内側表面に商業的・一軸指向性を持つYBCOテープをコーティングした。
• YBCOテープを亀裂を防ぐために最小限の曲げ（10 mm半径）で固定できるように、垂直分割構造を採用した。
• 保護被膜を除去してバーミンYBCO表面を露出させる特許取得済み技術を用い、表面抵抗を最小限に抑えた。
• YBCOテープの切断端をスパッタリング法で銀でコーティングし、端縁部の不純物による損失を低減した。
• 4.2 Kで弱い結合RFアンテナを用いたネットワークアナライザを用いて、Qファクターと共振周波数を測定した。
• COMSOLシミュレーションにより、TM₀₁₀モードの表面電流分布がキャビティ部品の境界に平行であることを確認し、磁場漏れと損失を最小限に抑えることができた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接エピタキシャル成長を経ずに、商業的に入手可能なYBCOテープを三次元構造に適用することで、高Qファクターの超伝導キャビティを実現できるか？
• RQ2 YBCOキャビティのQファクターは、最大8 Tに達する強いDC磁場下でも著しく劣化するか？
• RQ3 グレインバウンダリーの影響を受けても、YBCOの表面抵抗が十分に低く、強い磁場下でも高Qファクターを維持できるか？
• RQ4 YBCOテープ内のストリング・ダイナミクスおよびピンナップ挙動は、高磁場RF環境下で安定した高Q動作に適合しているか？

主な発見

• YBCOキャビティは3.5 Tで最大155,000のQファクターを達成し、0.23 Tのときの60,000よりも顕著に高い値を示した。これはボルテックスダイナミクスに起因する非単調なQファクター応答を示している。
• 1 Tから8 Tの間でQファクターは数パーセントのわずかな劣化にとどまり、高磁場下でも優れた耐性を示した。
• 4.2 KでQファクターは95,000に達し、同形状の銅キャビティ（56,500）を上回った。これはYBCOの固有の低い表面抵抗を示している。
• 約90 Kで超伝導転移が観測され、浸透深度が発散する傾向と整合する異常な周波数シフトが確認され、超伝導状態の存在が裏付けられた。
• 4 KにおけるYBCOの測定表面抵抗（0.02 mΩ）は、5.712 GHzにおける銅（5 mΩ）よりも顕著に低く、最適化設計ではさらに高いQファクターが達成可能である可能性を示した。
• 銀コーティングと正確な配置により、テープ接合部および端縁部の損失が効果的に低減され、高磁場環境下でも高精度な性能が実現された。