Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Die Fotomontage zeigt eine Probe aus reinem Niob (links) und eine Probe, die mit Nb3Sn beschichtet wurde (rechts). © HZB
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet.
Zurzeit ist Niob das Material der Wahl, um supraleitende Hochfrequenzkavitäten zu bauen. So werden sie für Projekte wie bERLinPro und BESSY-VSR eingesetzt, aber auch bei Freien Elektronenlasern wie dem XFEL oder dem LCLS-II.
Beschichtung verspricht Einsparungen
Doch eine Beschichtung mit Niobzinn (Nb3Sn) könnte zu deutlichen Verbesserungen führen. Denn supraleitende Hochfrequenzkavitäten aus Niob müssen bei 2 Kelvin (-271 Grad Celsius) betrieben werden, was aufwändige Kryotechnik erfordert. Durch eine Beschichtung mit Nb3Sn könnten Kavitäten dagegen auch bei 4 statt 2 Kelvin betrieben werden und zudem möglicherweise höhere elektromagnetische Felder aushalten, ohne dass die Supraleitung zusammenbricht. In Zukunft könnte das bei großen Beschleunigern Millionen Euro in Bau- und Stromkosten sparen, da der Aufwand für die Kühlung deutlich geringer ist.
Experimente in USA, Kanada, Schweiz und HZB
Ein Team um Prof. Dr. Jens Knobloch, der das SRF-Institut am HZB leitet, hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA, Kanada und der Schweiz Tests mit supraleitenden Proben durchgeführt, die an der Cornell University, USA, mit Nb3Sn beschichtet wurden. Die Experimente fanden am Paul-Scherrer-Institut, Schweiz, am TRIUMF, Kanada, und am HZB statt.
Beschichtete Probe hält mehr aus
„Wir haben die kritischen Magnetfeldstärken von supraleitenden Nb3Sn-Proben in statischen und Hochfrequenz-Feldern gemessen“, sagt Sebastian Keckert, Erstautor der Studie, der im Team von Knobloch promoviert. Durch die Kombination verschiedener Messverfahren konnten sie die theoretische Vorhersage bestätigen, dass das kritische Magnetfeld von Nb3Sn in Hochfrequenz-Feldern höher ist als das für statische Magnetfelder. Allerdings sollte das beschichtete Material im Hochfrequenz-Feld noch ein sehr viel höheres kritisches Magnetfeld aufweisen.
Somit haben die Tests auch gezeigt, dass der aktuell verwendete Beschichtungsprozess zur Herstellung von Nb3Sn weiterentwickelt werden könnte, um den theoretischen Werten noch näher zu kommen.
Die Arbeit wird auf dem Cover der Fachzeitschrift „Superconductor Science and Technology“ , (2019), angezeigt. Critical fields of Nb3Sn prepared for superconducting cavities; S. Keckert, T. Junginger, T. Buck, D. Hall, P. Kolb, O. Kugeler, R. Laxdal, M. Liepe, S. Posen , T. Prokscha, Z. Salman, A. Suter and J. Knobloch
doi:10.1088/1361-6668/ab119e
- Blinder Fleck für die Anordnung der AtomeKünstliche Intelligenz wird zunehmend eingesetzt, um Eigenschaften neuer Materialien vorherzusagen. Ein Forschungsteam aus Jena und den USA zeigt nun in einer im Fachjournal „Nature Computational Science“ Studie: Kommen dabei Sprachmodelle zum Einsatz, erfassen diese zwar zuverlässig, welche Atomsorten ein Material enthält. Informationen über deren räumliche Anordnung nutzen sie jedoch nur unzureichend. Selbst größere Modelle und mehr Trainingsdaten beheben diese Schwäche nicht. Für stark strukturabhängige Materialeigenschaften sind deshalb auf räumliche Strukturen spezialisierte KI-Modelle die verlässlichere Wahl. (DOI: 10.1038/s43588-026-01045-2)
- Muster aus polaren Wirbeln in bleifreien Übergittern auf SiliziumEin Team am HZB hat erstmals polare Wirbel in (BaTiO3/SrTiO3)10-Übergittern auf Silizium nachgewiesen. Diese Ergebnisse erweitern das Spektrum an Materialien und Substraten, auf denen polare topologische Texturen auftreten können, und sie eröffnen neue Möglichkeiten für die Einbindung komplexer ferroelektrischer Zustände in siliziumbasierte Technologien.
- HZB gratuliert Peter Hegemann zum NobelpreisUnser herzlicher Glückwunsch geht an Peter Hegemann, Professor für Neurowissenschaften und für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gemeinsam mit Prof. Georg Nagel (Julius-Maximilians-Universität Würzburg) und Prof. Karl Deisseroth (Stanford University, USA) hat er den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2026 gewonnen. Wir freuen uns sehr für ihn, sein Team, die Humboldt-Universität und die gesamte Berliner Wissenschaft.