[論文レビュー] Superconducting cavity in a high magnetic field

Danho Ahn, Ohjoon Kwon+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、12枚の多角形構造に商業用YBCOテープを用いた高Qの超伝導マイクロ波キャビティを実証した。6.93 GHzでQファクターは約330,000に達し、4 Kで8 Tまでの強い磁場でも高い性能を維持した。設計はYBCOの低表面抵抗性を活用するとともに、ニッケル9%タングステン（Ni-9W）基板の磁気飽和を活用して損失を低減し、axion暗黒物質探索に適した強い磁場下でも安定した動作を可能にした。

ABSTRACT

A high Q-factor microwave resonator in a high magnetic field could be used in a wide range of applications, especially for enhancing the scanning speed in axion dark matter research. In this letter, we introduce a polygon-shaped resonant cavity with commercial YBCO tapes covering the entire inner wall. We demonstrated that the maximum Q-factor (TM$_{010}$, 6.93 GHz) of the superconducting YBCO cavity was about 6 times higher than that of a copper cavity and showed no significant degradation up to 8 T at 4 K. This is the first indication of the possible applications of HTS technology to the research areas requiring low loss in a strong magnetic field at high radio frequencies.

研究の動機と目的

• axion暗黒物質実験に適した、8 Tを超える強い磁場下でも機能する超伝導マイクロ波キャビティの開発を目的とする。
• 表面抵抗の増加により強い磁場下で性能が劣化する従来の銅キャビティの限界を克服することを目的とする。
• 両軸指向性を持つ高温超伝導（HTS）YBCOテープを用い、強い磁場下でも低表面抵抗を維持することを目的とする。
• 外部磁場下におけるNi-9W基板の表面損失および磁気飽和挙動がQファクターに与える影響を調査することを目的とする。
• 凹面への複雑なエpitaxial成長を必要とせず、商業利用可能なYBCOテープを用いたスケーラブルで3次元のキャビティ設計を実証することを目的とする。

提案手法

• 複雑な幾何形状への直接堆積を避けるために、新規なモジュラー設計を採用し、YBCOテープを内壁に取り付けた12枚の多角形キャビティを製作した。
• 両軸指向性を持つ商業用YBCOテープ（AMSC）を用い、Ni-9W/NiO/CeO2/YSZ/Y2O3バッファ層構造により高品質なYBCO膜の配向を確保した。
• 変動磁場と温度を変化させた条件下でQファクターと共振周波数を測定するために、二重コaxialアンテナを備えたベクトルネットワークアナライザを用いた。
• Quantum Design MPMS3を用いてNi-9W試料の磁化測定を実施し、磁気飽和とQファクターの異常との相関を検証した。
• 同じ幾何形状および磁場条件下でYBCOキャビティと銅キャビティのQファクター性能を比較し、超伝導材料および基板の影響を分離した。
• TM₀₁₀モードにおける電場・磁場分布および電流の流れのパターンを可視化するため、固有モードシミュレーション（COMSOL）を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOコーティング壁を有する3次元超伝導キャビティは、4 Kで8 Tを超える強い磁場下でもQファクターを高い水準で維持できるか？
• RQ2 Ni-9W基板は表面損失にどのように寄与しているのか？ その磁気飽和挙動はQファクターにどのように影響するか？
• RQ3 YBCOキャビティのQファクターは強い磁場下で劣化するのか、それとも基板内の磁気秩序化により向上するのか？
• RQ4 同じ幾何形状および磁場条件下で、YBCOキャビティのQファクターは銅キャビティと比べてどのように異なるか？
• RQ5 凹面への複雑なエpitaxial成長を必要とせず、商業利用可能なYBCOテープを3次元キャビティ構造に効果的に応用できるか？

主な発見

• YBCOキャビティは6.93 GHz、4 Kで最大Qファクター約330,000を達成し、同じ幾何形状の銅キャビティと比較して約6倍高い性能を示した。
• Qファクターは8 Tまで安定しており、顕著な劣化は認められず、HTSキャビティが強い磁場下でも動作可能であることを示した。
• 0.23 Tで急激なQファクターの上昇が観測され、これはNi-9W基板の面内方向における磁気飽和に一致し、スピン関連損失が低減したためである。
• 磁化測定により、Ni-9W層は面内方向で約0.23 T、面外方向で約1.0 Tで飽和することが確認され、Qファクターの増大および飽和点と一致した。
• 4 KにおけるYBCOの表面抵抗（約0.2 mΩ）は、同じ周波数での銅（約5 mΩ）と比較して顕著に低く、理論的Qファクターの向上は高磁場下でも最大25倍に達する可能性がある。
• 0.23 Tにおける観測されたQファクターの向上は、Ni-9W基板内の磁気ドメイン壁の運動低減によるエネルギー散逸の低下に起因し、YBCOの固有特性とは無関係であるとされた。