[論文レビュー] Shielding superconductors with thin films

Sam Posen, Mark K. Transtrum+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2015

Superconducting Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、高周波交流磁界に対して超伝導体/絶縁体/超伝導体（SIS'）マルチレイヤー構造の遮蔽可能性を調査し、最適な材料および厚さ条件下では、バルク超伝導体に対して数パーセントの超加熱磁界の増大が達成可能であることを示している。この増大は、薄膜におけるフラックス浸透の抑制に起因し、これは変更された超電流スクリーニングに起因する。結果は、ロンダン理論およびギンツブルグ＝ランダウ理論を用いた解析的および数値的解析によって得られた。

ABSTRACT

Determining the optimal arrangement of superconducting layers to withstand large amplitude AC magnetic fields is important for certain applications such as superconducting radiofrequency cavities. In this paper, we evaluate the shielding potential of the superconducting film/insulating film/superconductor (SIS') structure, a configuration that could provide benefits in screening large AC magnetic fields. After establishing that for high frequency magnetic fields, flux penetration must be avoided, the superheating field of the structure is calculated in the London limit both numerically and, for thin films, analytically. For intermediate film thicknesses and realistic material parameters we also solve numerically the Ginzburg-Landau equations. It is shown that a small enhancement of the superheating field is possible, on the order of a few percent, for the SIS' structure relative to a bulk superconductor of the film material, if the materials and thicknesses are chosen appropriately.

研究の動機と目的

• 超伝導体/絶縁体/超伝導体（SIS'）ヘテロ構造が高周波交流磁界においてフラックス排出を強化できるかどうかを特定すること。
• SIS'構造の超加熱磁界をバルク超伝導体と比較し、超伝導体RF（SRF）キャビティなどの交流遮蔽応用を焦点として分析すること。
• SRFコミュニティ内で一般的な誤解であるSIS'構造の最大スクリーニング能力についての誤解を解消すること。
• 損傷を引き起こさずに遮蔽効果を最大化する最適な材料パラメータおよび薄膜厚さを同定すること。

提案手法

• 高周波交流磁界下における中程度の厚さの薄膜に対してギンツブルグ＝ランダウ方程式の数値的解法を用いる。
• 薄い薄膜におけるロンダン極限での解析的取り扱いを、超伝導秩序パラメータの共変微分表現を用いて行う。
• 薄膜とバルクの界面における超流動速度およびベクトルポテンシャルの境界条件を用いて、超加熱磁界 $B_{sh}^{SIS'}$ を導出する。
• 非線形応答および準安定状態をモデル化するため、次元なしの超流動速度 $q_0$ を用いる。
• ロンダン極限の結果を、完全なギンツブルグ＝ランダウ数値シミュレーションと照合して検証する。
• 解析的導出の一貫性を保つために、超加熱磁界と臨界磁界の関係 $B_{sh,b} = \sqrt{5}B_{c,b}/3$ を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIS'構造は、フラックス浸透なしに遮蔽可能な最大磁界を著しく増大させることができるか？
• RQ2 SIS'構造におけるバルク超伝導体と比較して、超加熱磁界の最大増大率はどの程度か？
• RQ3 薄膜厚さおよび材料パラメータ（例：$\lambda_f$, $B_{c,f}$）は、遮蔽性能にどのように影響するか？
• RQ4 高周波交流磁界下で薄膜内の位相勾配は安定か？それとも制御不能な損失を引き起こすか？
• RQ5 SIS'構造が準安定なフラックス排出を維持できなくなる臨界厚さ $d_c$ は何か？

主な発見

• SIS'構造では、同じ薄膜材料を有するバルク超伝導体と比較して、わずか数パーセントの超加熱磁界の増大が達成可能である。
• 最大の増大は、バルクと薄膜の臨界磁界および浸透深さの比が $v_{s,r} = B_{c,b}\lambda_b / (B_{c,f}\lambda_f) < 1$ を満たす場合に達成される。
• 薄い薄膜では、ロンダン極限における解析的解法により、超加熱磁界の増大が $\left(1 - v_{s,r}^2\right)(d/\lambda_f)^2 / 2$ に比例し、$v_{s,r}$ を含む線形補正項を持つことが示された。
• ギンツブルグ＝ランダウ方程式の数値的解法はロンダン極限の結果を確認しており、実際の材料パラメータにおいては数パーセントの増大に限られると示された。
• 準安定性のための臨界厚さ $d_c$ は、条件 $q_0(-d/2\lambda_f) > -1/\sqrt{3}$ を満たすことで定義され、これ以上の厚さではフラックス浸透は避けられない。
• 本研究は、超電流速度勾配が最小限に抑えられる場合にのみ、顕著な遮蔽利得が達成可能であることを確認した。