介质谐振器测量超导薄膜的微波表面阻抗

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超导薄膜的微波表面阻抗Zs=Rs+iωμ0γ是它的一个重要性能指标,其中Rs是表面电阻,Xs是表面电抗。Rs表征超导薄膜的微波损耗,反映了准粒子的密度;x。正比于磁穿透深度,反映了电子对的密度,从它随温度的变化关系,还可以得到超导能隙的有关信息,因此精密测量这一参数对于了解材料的物理和电子学特性,发展新材料和设计超导电子学元件都有重要意义。本文中所采用的测试方法为蓝宝石介质谐振器法,它用超导薄膜单端短路在介质谐振器的一端,通过测量微波介质谐振器的品质因数Q和谐振频率f0随温度变化的关系来确定超导薄膜的微波表面阻抗。由于介质损耗在低温下非常小,谐振时绝大部分电磁能量集中在介质内部,辐射损耗低,因此谐振腔的品质因数高;另外蓝宝石介质的介电常数的温度稳定性很高,因此可以近似认为谐振器的频率随温度的变化主要来自于超导薄膜穿透深度随温度的变化。因此介质谐振器可以较精确地测量超导薄膜的表面阻抗。本文设计和制作了一个工作于TEo1s模式,谐振频率在18.3GHz左右的蓝宝石介质谐振器,其无载品质因数在3K时可达到130900。用此方法可以对薄膜进行无损伤测量,测量后的薄膜还可继续使用。通过测量和计算两片Nb超导薄膜和两片NbN超导薄膜样品的表面阻抗、穿透深度、电导率等,来验证整个测试系统的准确与否,同时也可以从数据中反应出我们的测试系统存在哪些问题存在,以及将来如何解决这些问题等。
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