面向粒子加速器与量子器件的超导表面工程

该博士项目聚焦利用原子层沉积技术提升粒子加速器和量子技术用超导谐振器的性能。研究旨在实现铌的可控掺杂，并开发降低介电损耗的保护涂层；还将利用先进的表面表征和光谱技术优化材料性能。

职位介绍： 项目介绍： 本博士项目将开发原子层沉积（ALD）技术，把它作为一种灵活的表面工程手段，用于改进粒子加速器和量子技术中的超导谐振器。ALD 能够以纳米尺度精确控制薄膜厚度和成分，并可在复杂几何结构上形成共形覆盖。研究将围绕两个相辅相成的目标展开：对块体铌进行可控掺杂，以及制备介电损耗极低的保护涂层。 第一个目标聚焦于块体铌超导射频（SRF）腔。厚度最高为 10 nm 的共形薄膜将作为固态掺杂源，随后通过高真空退火控制掺杂元素在近表层区域的扩散；该区域会暴露于射频场中。这一方法旨在提高掺杂均匀性、探索新的掺杂化学体系，并取消掺杂后的电抛光工序。研究尤其关注如何抑制氢化物形成，同时保持超导能隙。氮掺杂和氧掺杂已使 2 K 下的品质因数接近 5 × 10¹⁰；本项目的目标是在相同温度下将品质因数提升至 8 × 10¹⁰，并实现 40–45 MV/m 的加速梯度。这些具有挑战性的目标面向未来粒子加速器的需求，包括未来环形对撞机（FCC）。该研究部分由欧洲 EPITA 项目支持；项目经费将用于消耗性材料和射频测试，并提供加入欧洲合作网络的机会。 第二个目标是研究保护性表面层，降低量子计算和量子传感谐振器中的介电损耗。研究将具体关注与两能级系统（TLS）有关的缺陷；这类缺陷会限制器件在低激发水平下的性能。SRF 腔本身也是量子信息处理的有前景平台。本项目将以法国原子能和替代能源委员会（CEA）开发的开创性处理方法为基础：该方法结合薄介电氧化物涂层与沉积后退火，已在量子工作区间实现创纪录的品质因数。研究将考察其他薄膜化合物，以降低导致损耗的缺陷密度及其影响。减少这类损耗，是提升超导量子器件性能的重要研究方向。 实验研究将把表面性质与射频性能联系起来。隧穿谱将用于探测局部超导性质，并帮助识别导致性能受限的机制。研究还将采用 X 射线光谱和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS），分析表面化学组成及掺杂元素的分布。这些测量结果将用于优化涂层成分、厚度和退火条件，同时阐明表面改性如何影响超导性质及射频损耗。 项目将使用两套 ALD 系统，先在样片上开展工艺开发，再将工艺应用于超导谐振器。此前已在 SRF 腔内部实现厚度和化学成分高度均匀的涂层，这为工艺转移的可行性提供了依据。射频测量将在校内开展，也将通过与美国实验室及欧洲资助项目的既有协议，同国内外合作伙伴共同完成。费米国家加速器实验室的合作者将对最有前景的处理方案开展毫开尔文温度测试，评估其在量子工作区间的性能。 本项目最终希望开发出适用的表面处理方法，使谐振器在量子应用所需的低激发水平下以及粒子加速器所需的高加速梯度下，均能实现较高品质因数。通过将先进表面表征与射频测量相结合，本论文研究将加深对表面化学、缺陷和超导性质之间关系的认识，并开发同时适用于加速器谐振器和量子谐振器的涂层工艺。

所需背景与技能： 我们希望招收一名积极主动的学生，其凝聚态物理基础扎实、对凝聚态物理有浓厚兴趣，并具备一定的超导知识。本项目以实验研究为主，同时包括理论工作（模型拟合）和软件编程。 英语水平良好者优先；具备一定编程知识（LabVIEW、C++）者优先。 申请者应对实验工作有浓厚兴趣，并积极参与研究项目的推进。 法语要求：熟练/流利。能够轻松自如地使用法语，就复杂主题展开论证。 英语要求：中级。能够就熟悉的日常主题，以清楚、连贯且有把握的方式使用英语交流。