[논문 리뷰] Insight into bulk niobium superconducting RF cavities performances by tunneling spectroscopy

Nickolas Groll, G. Ciovati외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 16.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 점접촉 터널링 스펙트로스코피를 사용하여 부피니오븀 RF 캐비티의 초전도성 특성을 비교하여 질소 도핑된 캐비티가 균일하고 거의 이상적인 초전도 갭(Δ ≈ 1.5–1.6 meV)과 낮은 쌍파괴 비율(Γ/Δ ≈ 4.8%)을 보이며, 고역장에서의 Q 기울기 성능과 상관관계가 있음을 밝혀냈다. 반면 기존 캐비티는 비균일한 갭과 높은 Γ/Δ 비율, 콘도 피크를 보이며, 이는 자화된 불순물과 결함이 있는 산화물이 존재하여 고역장에서 핫스팟과 Q 감소를 유도함을 시사한다.

ABSTRACT

Point contact tunneling (PCT) spectroscopy measurements are reported over wide areas of cm-sized cut outs from niobium superconducting RF cavities. A comparison is made between a high-quality, conventionally processed (CP) cavity with a high field Q drop for acceleration field E $>$ 20 MV/m and a nitrogen doped (N-doped) cavity that exhibits an increasing Q up to fields approaching 15 MV/m. The CP cavity displays hot spot regions at high RF fields where Q-drop occurs as well as unaffected regions (cold spots). PCT data on cold spots reveals a near ideal BCS density of states (DOS) with gap parameters, $Δ$ as high as 1.62 meV, that are among the highest values ever reported for Nb. Hot spot regions exhibit a wide distribution of gap values down to $Δ\sim$ 1.0 meV and DOS broadening characterized by a relatively large value of pair-breaking rate, $Γ$, indicating surface regions of significantly reduced superconductivity. In addition, hot spots commonly exhibit Kondo tunneling peaks indicative of surface magnetic moments attributed to a defective oxide. N-doped cavities reveal a more homoegeneous gap distribution centered at $Δ\sim$ 1.5 meV and relatively small values of $Γ/Δ$. The absence of regions of significantly reduced superconductivity indicates that the N interstitials are playing an important role in preventing the formation of hydride phases and other macroscopic defects which might otherwise severely affect the local, surface superconductivity that lead to hot spot formation. The N-doped cavities also display a significantly improved surface oxide, i.e., increased thickness and tunnel barrier height, compared to CP cavities. These results help explain the improved performance of N-doped cavities and give insights into the origin of the initial increasing Q with RF amplitude.

연구 동기 및 목표

• 기존 부피니오븀 초전도 RF 캐비티에서 고역장 Q 감소(HFQS)의 미세구조적 기원을 이해하기 위해.
• 질소 도핑이 표면 초전도성 특성에 미치는 영향과 기존 가공 대비 RF 성능 향상 원리를 조사하기 위해.
• 밀도 상태 및 산화물 터널 장벽 특성에 대한 터널링 스펙트로스코피 측정치를 관측된 RF 캐비티 성능과 연관지기 위해.
• 자화 불순물, 수소화물 상 및 산화물 품질이 캐비티 성능을 제한하는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 개선된 표면 균일성과 감소된 비탄성 산란이 도핑된 캐비티에서의 Q 기울기 원인인지 확인하기 위해.

제안 방법

• 1.3 GHz 니오븀 RF 캐비티에서 잘라낸 cm 크기의 시편에 대해 점접촉 터널링 스펙트로스코피(PCTS)를 수행하였으며, 기존 버퍼드 커뮤니케이션 화학적 연마(BCP) 캐비티와 질소 도핑된(N-doped) 캐비티를 포함하였다.
• PCTS는 초전도 밀도 상태(DOS)를 측정하여 터널링 스펙트럼에서 초전도 갭 Δ와 쌍파괴 비율 Γ를 추출하였다.
• 터널링 스펙트럼을 바탕으로 맥밀런 모델과 BCS 유사 DOS에 대한 피팅을 통해 산화물 터널 장벽 두께와 일함수를 추정하였다.
• 전자적 성질과 표면 화학 및 구조 간의 연관성을 규명하기 위해 보조적인 표면 특성 분석 기법을 사용하였다.
• RF 테스트 및 열지도 분석을 통해 핫스팟과 콜드스팟 영역을 식별한 후, 표적적 PCTS 측정을 수행하였다.
• 스펙트럼에서 관찰된 콘도 피크를 분석하여 국소적 자화 모멘트를 탐지하고, 표면 자화 불순물을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 BCP 니오븀 캐비티의 핫스팟과 콜드스팟 영역 간 초전도 갭(Δ)과 쌍파괴 비율(Γ)의 차이는 무엇인가?
• RQ2 질소 도핑이 캐비티 표면 전역에서 초전도 갭의 균일성과 Γ/Δ 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 캐비티에서 고역장 Q 감소를 유도하는 표면 자화 불순물과 결함이 있는 산화물의 역할은 무엇인가?
• RQ4 왜 N-도핑된 캐비티는 Q 기울기 성능을 보이는 반면 기존 캐비티는 고역장에서 Q가 감소하는가?
• RQ5 터널링 스펙트로스코피 측정치가 관측된 RF 캐비티 성능과 표면 산화물 품질과 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 기존 BCP 캐비티의 콜드스팟 영역는 BCS 밀도 상태에 근접한 특성을 보이며, 최대 Δ ≈ 1.62 meV의 초전도 갭을 나타내며, 니오븀에서 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• BCP 캐비티의 핫스팟 영역는 Δ ≈ 1.0 meV까지 낮아지는 광범위한 갭 분포와 높은 쌍파괴 비율 Γ를 보이며, 초전도성이著적으로 감소함을 시사한다.
• 핫스팟 영역에서 콘도 터널링 피크가 관찰되어 결함이 있는 표면 산화물에 기인한 국소적 자화 모멘트 존재를 시사한다.
• N-도핑된 캐비티는 Δ ≈ 1.5 meV 중심의 균일한 갭 분포와 4.8 ± 1.6%의 낮은 Γ/Δ 비율을 보이며, 향상된 RF 성능과 일치한다.
• N-도핑된 캐비티에서 낮은 Δ와 높은 Γ/Δ 영역가 존재하지 않음을 고려할 때, 질소 이물질이 수소화물 형성과 결함 관련 비균일성을 억제함을 시사한다.
• N-도핑된 캐비티는 두꺼운, 더 절연성인 천연 산화물 층을 보이며, 더 높은 터널 장벽 높이로 인해 소산 감소와 관측된 Q 기울기 성능에 기여한다.