Depuis plus de 20 ans le niobium massif règne en situation de monopole pour les applications hauts gradients des cavités radiofréquence supraconductrices (SRF) pour les accélérateurs de particules mais arrive près de ses limites ultimes. Ce n'est que récemment qu'un théoricien de FSU, A. Gurevich a proposé à la fois une explication sur l'origine du succès du niobium et sur un moyen de dépasser son monopole. Ce modèle théorique n'a jamais été démontré expérimentalement à ce jour. Une collaboration entre l'Irfu de Saclay et l'Inac de Grenoble vient de franchir cette étape vers de nouvelles technologies d'accélération.
Les cavités accélératrices sont des structures résonantes pour stocker et amplifier le champ électromagnétique. La limitation physique des résonateurs supraconducteurs est liée au besoin de garder la composante magnétique du champ RF inférieure au champ de transition du supraconducteur (H ~200 mT, proche du champ de transition thermodynamique), afin que le matériau ne repasse pas à l'état normal. De plus lorsque le champ magnétique commence à pénétrer dans le supraconducteur (sous forme de vortex), il est à l'origine de dissipations thermiques importantes.
Le niobium est le supraconducteur qui possède le champ de première pénétration du flux magnétique le plus élevé, repoussant ainsi les dissipations thermiques dues aux mouvements des vortex en RF ; de ce fait, aucun autre supraconducteur ne peut lui faire concurrence. Pour dépasser les limites du niobium, seuls des matériaux composites alliant les propriétés du niobium et celles de couches ultraminces (quelques dizaines de nm) peuvent être efficaces. Le niobium massif prévient la pénétration des vortex perpendiculaires à sa surface (extérieur de la cavité) tandis que les couches nanométriques viennent « blinder » la surface (intérieur de la cavité) du niobium et atténuer la valeur du champ (parallèle à la surface) avec lequel il est en contact.
Cavité supraconductrice en niobium
Les équipes de l'Irfu de Saclay sont internationalement reconnues pour leurs recherches sur les nouvelles technologies pour les accélérateurs de particules. L'équipe de J-C Villégier à l'Inac de Grenoble possède une grande expertise dans les méthodes de préparation de nanostructures pour l'électronique supraconductrice, en particulier des empilements de nanocouches et nanofils comme les jonctions Josephson, des structures, très proches de celles proposées par Gurevich.
Figure 1 : Les couches sont déposées sur du saphir monocristallin afin d'assurer une structure d'épitaxie et donc très peu de défauts. Une couche de 250 nm de niobium mime le matériau massif et sert de référence. La couche de MgO, isolante, sert à découpler les deux supraconducteurs. La couche de 25 nm de NbN présente deux avantages : en épaisseur nanométrique, elle présente une grande barrière de surface, et sa résistance en rf, RBCS, est plus faible que celle du niobium. On peut donc espérer gagner en champ et en facteur de qualité.
Les chercheurs des deux instituts ont donc déposé et caractérisé des échantillons correspondant à ce modèle multicouche (figure 1) et mis en évidence pour la première fois cet effet de blindage prédit par la théorie (figure 2). La figure 2 présente la variation du moment magnétique induit en fonction du champ extérieur appliqué pour l'échantillon de référence et pour l'échantillon multicouche. La première pénétration du champ extérieur arrive plus tard dans le cas de l'échantillon multicouche que dans l'échantillon standard. La surface de l'hystérésis traduit le nombre de vortex qui pénètrent l'échantillon. On voit que cette hystérésis est très petite dans le cas du niobium recouvert par du NbN, et donc cette couche assure bien un rôle de protection magnétique du niobium.
Cette réussite ouvre des perspectives importantes en SRF, puisqu'elle permet d'envisager un « up-grade » des cavités existantes et une amélioration sensible de leurs performances. Des tests supplémentaires se poursuivent avec d'autres échantillons pour confirmer ces premiers tests positifs et un sujet de thèse est proposé pour approfondir cette étude à moyen terme.
Figure 2:Courbe d'aimantation normalisée de l'échantillon de référence en vert, comparée à celle du même échantillon recouvert d'une couche de 25 nm de NbN en bleu. La surface de l'hystérésis traduit le nombre de vortex qui pénètrent l'échantillon. On voit que cette hystérésis est très petite dans le cas du niobium recouvert par du NbN, et donc cette couche assure bien un rôle de protection magnétique du niobium.
• Physique et technologie des accélérateurs
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
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Dernière mise à jour : 21-11-2024
