[논문 리뷰] Theoretical Field Limits for Multi-Layer Superconductors

Sam Posen, Gianluigi Catelani외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 12.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SIS(초전도체-절연체-초전도체) 다층 구조가 첫 번째 임계장 $B_{c1}$를 향상시키지 못하며, 이는 실제로 0에 가깝고, 초과냉각장 $B_{sh}$ 역시 좁은 조건에서만 약간 향상된다는 것을 보여준다. SRF 압축기에서 보조 초전도체를 보호하기 위해 SIS 구조를 사용하려는 이론적 제안에도 불구하고, 높은 주파수에서 비제어 가능한 비틀림에 의한 가열이 발생하여 SRF 응용 분야에서는 실용적이지 않다. 다만, 위상 기울기 설계를 통해 DC/저주파 응용에서는 차폐 이점이 있을 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• SIS 구조가 SRF 압축기 응용을 위한 박막 초전도체에서 첫 번째 임계장 $B_{c1}$를 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• SIS 다층 구조의 초과냉각장 $B_{sh}$를 평가하고, 비틀림 침투에 대한 차폐 가능성 여부를 평가하기 위해.
• 특히 SRF 관련 주파수 영역에서, $B_{sh}$ 이상에서 비틀림 운동으로 인한 소산을 분석하기 위해.
• 초전도체의 질서 매개변수 위상에 대한 공간 기울기 $\nabla\phi$를 설계하여 DC 및 저주파 자기장 차폐 잠재력을 탐색하기 위해.
• 최근 실험 결과에서 $B_{c1}$ 이상에서도 표면 저항이 낮게 유지되는 것을 고려하여, SRF 압축기용 대체 초전도체 재료의 실용성 재평가를 위해.

제안 방법

• Stejic 등이 제안한 형식을 응용하여 SIS 구조 내 비틀림의 구리프리 에너지를 계산함으로써, 안정된 비틀림 상태가 없어 $B_{c1}$가 0임을 보여줌.
• 긴츠부르크-란다우 이론을 사용하여 SIS 필름의 초과냉각장 $B_{sh}$를 모델링하고, 동종 다층 구조와 异종 다층 구조를 비교함.
• Gurevich의 비틀림 침투 소산 모델을 적용하여 교류 필드에서의 가열을 추정함. 식 $P/A = \frac{2\omega d}{\pi\mu_{0}\lambda_{f}}\left(\lambda_{b} + \delta + d/2\right)B_{v}(B_{0} - B_{v})$ 를 사용하며, $B_{v} \approx B_{sh}$ 로 가정함.
• 초전도체의 질서 매개변수 위상 $\nabla\phi$ 에 대한 공간 기울기 효과를 모델링하여, DC/저주파 영역에서 초전도체 유속을 낮추고 자기장 차폐를 가능하게 함.
• 단기 혼화 길이를 가진 Nb 3 Sn 및 niobium 압축기의 실험 데이터를 평가하여 $B_{c1}$ 이상에서의 성능을 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIS 구조는 박막 초전도체에서 첫 번째 임계장 $B_{c1}$를 향상시키는가?
• RQ2 SIS 구조의 초과냉각장 $B_{sh}$ 는 박막 초전도체의 값보다 높아질 수 있는가?
• RQ3 SRF 관련 교류 작동 조건에서 SIS 구조 내 비틀림에 의한 소산은 제어 가능한가?
• RQ4 SIS 다층 구조는 질서 매개변수 위상의 기울기 설계를 통해 DC 또는 저주파 자기장을 효과적으로 차폐할 수 있는가?
• RQ5 최근 실험 결과에서 $B_{c1}$ 이상에서도 표면 저항이 낮게 유지되는 것을 고려할 때, 대체 초전도체 재료의 박막은 $B_{c1}$ 이상에서도 성능이 유망한가?

주요 결과

• SIS 구조에서는 안정된 비틀림 상태가 없기 때문에 첫 번째 임계장 $B_{c1}$ 는 실제로 0에 가깝고, 이는 이전의 향상 제안과 정반대된다.
• SIS 구조의 초과냉각장 $B_{sh}$ 는 박막 초전도체의 값보다 약간 높을 뿐이며, 이는 특정 두께 범위와 이종 다층 구조(다른 재료 조합)에서만 성립한다.
• SIS 구조 내 50 nm 두께의 Nb 3 Sn 필름이 $B_{sh}$ 이상 1 mT의 자기장에 노출될 경우, 소산되는 전력은 9 W/cm²를 초과하여 단일 TESLA 압축기에서 약 4 kW의 열을 발생시켜 SRF 응용에 실용적이지 않다.
• 만약 초전도체 질서 매개변수 위상의 기울기 $\nabla\phi$ 를 설정할 수 있다면, SIS 구조는 DC 및 저주파 응용에서 실용적일 수 있으며, 초전도체 유속을 낮추면서도 자기장 차폐가 가능하다.
• 최근 실험 결과에서 단기 혼화 길이를 가진 대체 초전도체 재료인 Nb 3 Sn 및 니오븀의 박막은 $B_{c1}$ 이상에서도 낮은 표면 저항을 유지함을 보여주어, $B_{c1}$ 향상이 고성능 SRF 압축기의 필수 조건이 아니라는 것을 시사한다.
• 이 연구는 향후 세대 SRF 압축기의 개발을 위해 SIS 다층 구조보다는 대체 초전도체 재료의 박막이 더 단순하고 효과적인 길임을 결론 내린다.