[論文レビュー] Measurements of surface impedance of superconductors as a function of frequency in microwave range

S. Sarti, C. Amabile+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2–20 GHzの周波数範囲でYBCOおよびMgB2薄膜の周波数依存表面インピーダンスを測定する、Corbinoディスク型の新しいマイクロ波技術を提示する。これにより、超伝導転移の連続的分光測定が可能となる。主な発見は、超伝導転移の周波数依存的広がりが明確に観察され、MgB2では顕著な広がり（20 GHzにおけるΔTc/Tc ≈ 0.15）を示し、YBCOでは弱いが測定可能な周波数依存性を示す。

ABSTRACT

We report measurements of the complex resistivity in YBCO and MgB$_2$ thin films over a continuous frequency spectrum in the microwave range, making use of a Corbino disk geometry. The paper mainly focuses on the extraction of the resistivity from raw data, displaying data analysis procedure and its limits of validity. We obtain and show resistivity curves as a function of frequency and temperature denoting a frequency dependent widening of the superconducting transition.

研究の動機と目的

• 固定周波数共振カビン法の限界を克服し、超伝導薄膜の連続周波数マイクロ波測定技術を開発すること。
• 長い同軸ケーブルに起因する信号歪みに対しても、反射係数データから正確な表面インピーダンス（RsおよびXs）を抽出すること。
• 周波数および温度関数としての抵抗率および浸透深さを測定することにより、超伝導体の動的応答を調査すること。
• 高Tcおよび従来型超伝導体における超伝導転移幅の周波数依存性を定量すること。

提案手法

• 超伝導薄膜が同軸ケーブルを短絡することで、反射係数の連続周波数測定が可能なCorbinoディスク幾何構造を用いる。
• 2段階のデータ解析を実施：まず、外部ケーブル部の日常的キャリブレーションにより、有効反射係数Γ̃m(ν)を抽出する。
• 測定された反射係数から、ケーブル歪みを補正した上で、試料の表面インピーダンスZs(ν)を抽出するため、修正されたSパラメータ法を適用する。
• 参照場（Href = 0）および常態限界（H > Hc2）を用いて、ΔRsおよびΔXsから絶対的Rs(ν; T, H)およびXs(ν; T, H)を再構成する。
• インジウムリングおよび周波数依存キャリブレーションを用いて、余計な接触静電容量を補正するが、YBCOでは6 GHz以上、MgB2では2 GHz以上に限定して有効である。
• 外部磁場H > Hc2におけるXs → 0となる既知の常態挙動とフィールドスイープデータを比較することで、上臨界磁場以上で信頼性が確認され、本手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOおよびMgB2における超伝導転移幅は、マイクロ波周波数にどのように依存するか？
• RQ2 ケーブルに起因する歪みおよび接触静電容量は、長距離同軸構成における表面インピーダンス測定の正確性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 完全なキャリブレーションがなくても、反射係数データから表面抵抗RsおよびリアクタンスXsの絶対値を信頼性高く抽出できるか？
• RQ4 高Tcおよび従来型超伝導体における電磁気的応答の周波数依存性は、Tc近傍でどのように現れるか？

主な発見

• MgB2における超伝導転移は、強い周波数依存的広がりを示し、2 GHzに正規化した場合、ΔTc/Tcが約0.15に達する。
• YBCOでは、転移の広がりは顕著でないが、特に転移の低温端部において測定可能な周波数依存性が観察される。
• MgB2の表面抵抗Rsは、μ0H ≈ 9 T以上でほぼ一定を保ち、H = 13 Tが常態に位置することを確認し、Xs正規化にH = 13 Tを用いる妥当性が裏付けられる。
• 接触静電容量の影響により、YBCOでは6 GHz未満、MgB2では2 GHz未満のデータは信頼性に欠けるため、周波数依存のデータ除外が必要となる。
• 完全なケーブルキャリブレーションがなくても、本手法は両材料のRs(ν; T, H)およびMgB2のXs(ν; T, H)の絶対値を成功裏に再構成した。
• フィールドスイープ測定では、MgB2におけるRsおよびXsが9 T以上で磁場に依存しないため、常態に位置することが一貫して確認された。