[論文レビュー] Theoretical Field Limits for Multi-Layer Superconductors

Sam Posen, Gianluigi Catelani+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2013

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、SIS（超伝導体-絶縁体-超伝導体）多層構造が、実効的にゼロである第1臨界磁場 $B_{c1}$ を向上させないことを示しており、また、狭い条件下でのみわずかに超加熱磁場 $B_{sh}$ が向上するにとどまることを明らかにした。SIS構造をSRFキャビティ内の代替超伝導体を遮蔽するために使用しようという理論的提案があるが、本研究では高周波数において巻き戻し誘導加熱が管理不能であることが示され、SRF用途には不適切である。一方、位相勾配工学により、DC／低周波数用途では遮蔽利点を発揮する可能性がある。

ABSTRACT

The SIS structure---a thin superconducting film on a bulk superconductor separated by a thin insulating film---was propsed as a method to protect alternative SRF materials from flux penetration by enhancing the first critical field $B_{c1}$. In this work, we show that in fact $B_{c1}$ = 0 for a SIS structure. We calculate the superheating field $B_{sh}$, and we show that it can be enhanced slightly using the SIS structure, but only for a small range of film thicknesses and only if the film and the bulk are different materials. We also show that using a multilayer instead of a single thick layer is detrimental, as this decreases $B_{sh}$ of the film. We calculate the dissipation due to vortex penetration above the $B_{sh}$ of the film, and find that it is unmanageable for SRF applications. However, we find that if a gradient in the phase of the order parameter is introduced, SIS structures may be able to shield large DC and low frequency fields. We argue that the SIS structure is not beneficial for SRF cavities, but due to recent experiments showing low-surface-resistance performance above $B_{c1}$ in cavities made of superconductors with small coherence lengths, we argue that enhancement of $B_{c1}$ is not necessary, and that bulk films of alternative materials show great promise.

研究の動機と目的

• SIS構造がSRFキャビティ応用を想定した薄膜超伝導体における第1臨界磁場 $B_{c1}$ を向上させられるかどうかを調査すること。
• SIS多層膜の超加熱磁場 $B_{sh}$ を評価し、ヴォーテックス浸透に対する遮蔽可能性を検討すること。
• AC磁場中、特にSRF関連周波数帯域における $B_{sh}$ を超える領域でのヴォーテックス運動に起因する損失を分析すること。
• 秩序パラメータの位相勾配を工学的に設計することで、DCおよび低周波数磁場遮蔽にSIS構造が果たせる可能性を検討すること。
• 最近の実験結果により $B_{c1}$ を超えて表面抵抗が低いことが示されたことを踏まえ、代替超伝導体材料のSRFキャビティへの実用可能性を再評価すること。

提案手法

• Stejic らの形式を応用したガリブス自由エネルギーの計算により、SIS構造内におけるヴォーテックスの状態が安定しないため、$B_{c1}$ がゼロであることを示した。
• ギンツブルグ＝ランダウ理論を用いてSIS膜の超加熱磁場 $B_{sh}$ をモデル化し、同層型および異層型の構造を比較した。
• Gurevich が提唱したヴォーテックス浸透による損失モデルを適用し、AC磁場における加熱を推定した。式 $P/A = \frac{2\omega d}{\pi\mu_{0}\lambda_{f}}\left(\lambda_{b} + \delta + d/2\right)B_{v}(B_{0} - B_{v})$ を用い、$B_{v} \approx B_{sh}$ とした。
• 秩序パラメータ位相 $\nabla\phi$ の空間的勾配をモデル化することで、超流動速度を低減させ、DC／低周波数帯域における磁場遮蔽を可能にする仕組みを検討した。
• 短いコherence長を有するNb 3 Snおよびニオブiumキャビティの実験データを評価し、$B_{c1}$ を超える領域での性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIS構造は薄膜超伝導体における第1臨界磁場 $B_{c1}$ を向上させるか？
• RQ2 SIS構造の超加熱磁場 $B_{sh}$ は、バルク超伝導体の値を上回るか？
• RQ3 SRF関連AC動作条件下において、SIS構造のヴォーテックス誘導損失は管理可能か？
• RQ4 SIS多層膜は、秩序パラメータ位相の勾配を設計することで、大規模なDCまたは低周波数磁場を効果的に遮蔽できるか？
• RQ5 最近の実験結果により $B_{c1}$ を超えて表面抵抗が低いことが示されたことを踏まえ、バルク膜の代替超伝導体材料の性能は、$B_{c1}$ を超えて実用的か？

主な発見

• SIS構造では、安定なヴォーテックス状態が存在しないため、第1臨界磁場 $B_{c1}$ は実効的にゼロであり、これまでは向上が予想されていたという主張とは矛盾する。
• SIS構造の超加熱磁場 $B_{sh}$ は、バルク値と比べてわずかに上回るが、これは膜厚の狭い範囲および異なる材料を用いた異層型構造に限られる。
• 50 nm のNb 3 Sn膜を有するSIS構造が、$B_{sh}$ よりも1 mT高い磁場にさらされた場合、損失電力は1 cm²あたり9 Wを超える。これは1つのTESLAキャビティで約4 kWの熱を発生させ、SRF応用には不適切である。
• 秩序パラメータ位相 $\nabla\phi$ の勾配を確立すれば、DCおよび低周波数用途ではSIS構造が実用的になり得る。これは、超流動速度を低く保ちつつ磁場遮蔽を可能にする。
• 最近の実験では、短いコherence長を有する代替超伝導体材料（Nb 3 Sn やニオブium）のバルク膜が、$B_{c1}$ を超えてさえも低表面抵抗を維持していることが示された。これは、$B_{c1}$ の向上が高性能SRFキャビティに必須ではないことを示唆している。
• 本研究は、次世代SRFキャビティにおいて、SIS多層膜よりもバルク膜の代替超伝導体材料がより単純かつ効果的な道筋であると結論づけた。