[论文解读] Lower Critical Field Measurement of NbN Multilayer Thin Film Superconductor at KEK

Hayato Ito, H. Hayano+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 11被引用 2

一句话总结

本研究在高能加速器研究机构（KEK）利用局部5 mm直径螺线管线圈的三次谐波响应技术，测量了NbN-SiO2-Nb多层薄膜的下临界场（Hc1），表明Hc1的增强程度取决于NbN层厚度。结果表明，有效Hc1相比体态铌提高了24–31%，最佳性能出现在理论预测的NbN厚度范围内，缺陷抑制因子η = 0.7–0.8。

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.

研究动机与目标

• 测量NbN-SiO2-Nb多层薄膜的有效下临界场（Hc1），并最大限度减少边缘效应的影响。
• 确定使Hc1相对于体态铌实现最大增强的NbN层最优厚度。
• 验证超导体-绝缘体-超导体（S-I-S）结构中Hc1增强的理论预测。
• 建立一种可靠的低温Hc1测量系统，采用三次谐波检测技术，为未来SRF腔体开发提供支持。

提出的方法

• 采用带有两个铜温区的定制低温恒温器，实现在液氦温度下的精确温控与样品定位。
• 使用5 mm直径螺线管线圈施加局域交流磁场（1 kHz），以最小化边缘效应，实现精确的Hc1测量。
• 通过检测螺线管线圈中的三次谐波电压（3 kHz）来识别涡旋渗透起始点，从而确定Hc1。
• 系统使用1 kHz信号发生器、带通滤波器及3 kHz带通滤波器，以分离并放大三次谐波响应。
• 通过缓慢升温（≤0.1 K/min）并监测三次谐波信号，测量温度依赖的Hc1。
• 通过将交流电流与已知的Hc1(0) = 180 mT（体态Nb）进行关联，完成磁场校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbN-SiO2-Nb多层薄膜的有效Hc1如何随NbN层厚度变化？
• RQ2 测量得到的NbN-SiO2-Nb结构中Hc1增强是否与T. Kubo和A. Gurevich的理论预测一致？
• RQ3 在多层结构中，使Hc1增强最大的NbN层最优厚度是多少？
• RQ4 通过经验参数η建模的NbN层缺陷如何影响测量得到的Hc1及其厚度依赖性？
• RQ5 KEK的三次谐波测量系统是否能可靠地测量Hc1，且不受边缘或形状效应影响？

主要发现

• 与体态铌相比，NbN-SiO2-Nb多层膜的有效Hc1增强了24–31%，最大增强值出现在最优NbN厚度处。
• 除最终调校后200 nm样品外，所有NbN-SiO2-Nb样品的测量Hc1值均与η = 0.7–0.8的理论预测高度吻合。
• 200 nm NbN样品在最终装置调校后，Hc1从226 ± 18 mT下降至199 ± 4 mT，可能由于老化或表面退化所致。
• 随着缺陷抑制因子η减小，实现最大Hc1增强的最优NbN厚度向更薄的层厚移动。
• 三次谐波测量系统成功抑制了边缘效应，实现了在低至5 K温度下的精确Hc1测定。
• 结果支持在超导射频（SRF）腔体中采用NbN-SiO2-Nb多层膜以实现更高加速梯度的可行性。