[論文レビュー] Superconductivity Above H_{c2} as a Probe for Niobium RF-Cavity Surfaces

S. Casalbuoni, Lars von Sawilski+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ニオブium RFキャビティにおける表面超伝導（SSC）を、$H_{c2}$ よりも高い領域での交流感受率および表面電導率測定を用いて調査した。その結果、表面処理に依存しない、$H_{c3}^c \approx 0.81H_{c3}$ で核生成する一様なSSC相が明らかになった。電気化学研磨処理を施した試料では、2次元パーコレーション駆動型の遷移が示されたが、粗い表面では3次元的性質へのクロスオーバーの兆候が観察され、LTB処理により不純物再分配が起因して、常磁性モーメントと $H_{c3}$ が増加した。

ABSTRACT

From the magnetic response of Nb-cylinders to time-varying fields the AC-conductivity, $σ'-iσ''$, and the critical current density $J_c^s$ are determined above the upper critical field $H_{c2}$. The field dependencies of $σ'$ and $σ''$ allow us to identify the nucleation of incoherent surface superconductivity (SSC) at $H_{c3}$ and of coherent SSC at $H_{c3}^c\approx 0.81H_{c3}$. The latter result turns out to be independent on different surface roughnesses and surface impurities obtained by surface treatments like chemical (BCP) and electrolytical polishing (EP), and low temperature baking (LTB). They all have a large impact on $H_{c3}$ itself, which is associated with a change of electron mean free path $\ell$ due to impurities in a surface layer. A detailed analysis of $σ'$, $σ''$ and $J_c^s$ near $H_{c3}^c$ reveals that the coherence of the SSC results from a percolation transition. For EP cylinders, this transition appears to be strictly two dimensional (2D), while the analysis for BCP cylinders with a rougher surface reveal much smaller $J_c^s$ and indicate a crossover to 3D. As a rather surprising feature, we detected large concentrations of paramagnetic moments, which increased under LTB and were reduced by EP.

研究の動機と目的

• AC感受率測定を用いて、$H_{c2}$ よりも高い領域におけるニオブium RFキャビティ表面の電子的および超伝導的性質を調査すること。
• 化学研磨（BCP）、電気化学研磨（EP）、低温焼鈍処理（LTB）といった表面処理が、表面超伝導および臨界磁場に与える影響を特定すること。
• AC電導率および臨界電流密度解析を用いて、一様な表面超伝導（SSC）相の性質と次元性を同定すること。
• ニオブium試料で観察された常磁性モーメントの起源を調査し、熱的および化学的処理によるその変化を解明すること。

提案手法

• 交流感受率測定は、1.5 K から 4.2 K の温度範囲、最大1 MHzの周波数でSQUID磁気計と相互インダクタンス法を用いて実施した。
• 時間変化する磁場に対する磁気応答から、交流電導率（$\sigma' - i\sigma''$）の実部および虚部、および表面臨界電流密度（$J_c^s$）を抽出した。
• ギンツブルグ＝ランドウ形式を用いて等温磁化ループから上臨界磁場 $H_{c2}$ および熱力学的臨界磁場 $H_c$ を決定した。
• BCP、EP、LTB といった表面処理をニオブiumシリンダーに施し、$H_{c3}$、$H_{c3}^c$、$J_c^s$ への影響を比較した。
• 常磁性感受率は、キュリー＝ワイス則へのフィットを用いてキュリー定数およびキュリー温度を抽出し、局在した磁気モーメントを特定した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）および原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、処理後の表面粗さおよびトポロジーの変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一様な表面超伝導（SSC）相は、表面処理に依存しない場所で核生成するのか？ もしそうであれば、どの磁場で核生成するのか？
• RQ2 表面粗さおよび処理に依存するSSCネットワークの次元性（2次元対3次元）はどのように変化するのか？
• RQ3 表面不純物および欠陥が $H_{c3}$ および一様なSSCの核生成に果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ低温焼鈍処理（LTB）および電気化学研磨（EP）が $H_{c3}$ を増加させるのか？ また、それらは常磁性モーメントにどのように影響を与えるのか？
• RQ5 観察されたニオブiumシリンダーの常磁性モーメントは酸素空孔または他の不純物に起因するのか？ それらはどこに存在するのか？

主な発見

• 一様な表面超伝導（SSC）相は、$H_{c3}^c \approx 0.81H_{c3}$ で核生成し、表面粗さ、不純物、およびBCP、EP、LTBといった表面処理に依存しない。
• 電気化学研磨処理を施した（EP）試料では、2次元（2D）パーコレーション遷移に一致するべきべき乗則スケーリングが観察された。
• 粗い表面を有する化学研磨処理（BCP）試料では、べき乗則の振る舞いが弱く、$J_c^s$ も低く、3次元（3D）的性質へのクロスオーバーの兆候が示された。
• 低温焼鈍処理（LTB）によりキュリー定数 $C$ が40–50%増加し、常磁性モーメントが増強されたが、電気化学研磨によりそのモーメントは減少した。
• 焼鈍処理を施したBCP試料から10 μmのエッチングを施すと、$C$ は50%減少した。これは、常磁性モーメントが表面から10 μm以上深く、おそらく結晶粒界または亀裂付近に存在することを示唆している。
• LTBおよびEP処理は両方とも $H_{c3}$ を増加させ、表面不純物に起因する電子平均自由行程 $\ell$ の短縮が原因であるとされるが、一様なSSCの臨界磁場 $H_{c3}^c$ は変化しなかった。