[논문 리뷰] Lower Critical Field Measurement of NbN Multilayer Thin Film Superconductor at KEK

Hayato Ito, H. Hayano외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 11인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 KEK에서 국소적 5 mm 지름의 solenoid 코ils를 사용한 제3차 고조파 반응 기술을 통해 NbN-SiO2-Nb 다층 박막의 하한 임계장(Hc1)을 측정하여, NbN 층 두께에 따라 Hc1 향상 정도가 달라짐을 입증한다. 결과적으로, 균질한 niobium에 비해 효과적인 Hc1가 24–31% 향상되었으며, 이는 이론적으로 예측된 결함 억제 인자 η = 0.7–0.8에 의해 최적화된 NbN 두께에서 관찰된다.

ABSTRACT

The multilayer thin film structure of the superconductor has been proposed by A. Gurevich to enhance the maximum gradient of SRF cavities. The lower critical field Hc1 at which the vortex start penetrating the superconducting material will be improved by coating Nb with thin film superconductor such as NbN. It is expected that the enhancement of Hc1 depends on the thickness of each layer. In order to determine the optimum thickness of each layer and to compare the measurement results with the theoretical prediction proposed by T. Kubo, we developed the Hc1 measurement system using the third harmonic response of the applied AC magnetic field at KEK. For the Hc1 measurement without the influence of the edge or the shape effects, the AC magnetic field can be applied locally by the solenoid coil of 5mm diameter in our measurement system. ULVAC made the NbN-SiO₂ multilayer thin film samples of various NbN thicknesses. In this report, the measurement result of the bulk Nb sample and NbN-SiO₂ multilayer thin film samples of different thickness of NbN layer will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 모서리 효과를 최소화하여 NbN-SiO2-Nb 다층 박막의 효과적인 하한 임계장(Hc1)을 측정하기 위해.
• 균질한 niobium에 비해 Hc1 향상을 최대화하는 최적의 NbN 층 두께를 규명하기 위해.
• 초전도체-절연체-초전도체(S-I-S) 구조에서 Hc1 향상에 대한 이론적 예측을 검증하기 위해.
• 향후 SRF 캐비티 개발을 위한 기초가 되는 저온에서의 신뢰성 있는 Hc1 측정 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 액체 헬륨 온도에서 정밀한 온도 제어 및 샘플 위치 조절을 가능하게 하는 두 개의 coppe r스테이지를 갖춘 맞춤형 쿠로스타트를 사용한다.
• 모서리 효과를 최소화하고 정확한 Hc1 측정을 가능하게 하기 위해, 국소적 AC 자장(1 kHz)을 가하는 5 mm 지름의 solenoid 코ils를 적용한다.
• 바이러스 침투 시작 시점을 나타내는 Hc1를 확인하기 위해 solenoid 코ils에서 제3차 고조파 전압(3 kHz)을 검출한다.
• 시스템은 1 kHz 신호 발생기, 대역통과 필터, 그리고 3 kHz 대역통과 필터를 사용하여 제3차 고조파 반응을 고립하고 증폭한다.
• 샘플 온도를 천천히(≤0.1 K/min) 변화시키면서 온도 의존적인 Hc1를 측정하며, 제3차 고조파 신호를 모니터링한다.
• 자기장 캘리브레이션은 균질한 Nb의 Hc1(0) = 180 mT를 기준으로 AC 전류와의 상관관계를 통해 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbN-SiO2-Nb 다층 박막의 효과적인 Hc1는 NbN 층 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 NbN-SiO2-Nb 다층 구조에서 측정된 Hc1 향상 정도는 T. Kubo와 A. Gurevich의 이론 예측과 일치하는가?
• RQ3 다층 구조에서 Hc1 향상을 최대화하는 데 가장 적합한 NbN 층 두께는 무엇인가?
• RQ4 현상학적 인자 η로 모델링된 NbN 층 내 결함이 측정된 Hc1와 그 두께 의존성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 KEK의 제3차 고조파 측정 시스템은 모서리 효과나 형상 효과 없이 신뢰성 있게 Hc1를 측정할 수 있는가?

주요 결과

• NbN-SiO2-Nb 다층 박막의 효과적인 Hc1는 균질한 niobium에 비해 24–31% 향상되었으며, 최대 향상 정도는 최적의 NbN 두께에서 관찰되었다.
• 모든 NbN-SiO2-Nb 샘플(200 nm 샘플의 최종 조정 후 제외)의 측정된 Hc1 값은 η = 0.7–0.8을 사용한 이론 예측과 잘 일치하였다.
• 200 nm 두께의 NbN 샘플은 최종 설정 조정 후 Hc1가 226 ± 18 mT에서 199 ± 4 mT로 감소하였으며, 이는 노령화 또는 표면 열화로 인한 것으로 추정된다.
• 결함 억제 인자 η가 감소할수록 Hc1 향상도를 최대화하는 데 필요한 최적의 NbN 두께는 더 얇아지는 경향을 보였다.
• 제3차 고조파 측정 시스템은 모서리 효과를 효과적으로 최소화하고, 5 K 이상의 낮은 온도에서도 정확한 Hc1 결정을 가능하게 하였다.
• 결과적으로, NbN-SiO2-Nb 다층 박막을 초전도체 라디오파급(SRF) 캐비티에 적용하여 더 높은 가속 기울기를 달성할 수 있음을 뒷받침한다.