INGENIERIE DES SURFACES SUPRACONDUCTRICES POUR LES ACCELERATEURS DE PARTICULES ET LES DISPOSITIFS QUANTIQUES // ENGINEERING SUPERCONDUCTING SURFACES FOR PARTICLE ACCELERATORS AND QUANTUM DEVICES

Ce projet développera le dépôt de couches atomiques (ALD) pour l’ingénierie des surfaces de résonateurs supraconducteurs, selon deux objectifs complémentaires destinés aux accélérateurs et aux technologies quantiques.
Le premier concerne le dopage contrôlé des cavités radiofréquences supraconductrices (SRF) en niobium massif. Des films conformes d’épaisseur inférieure ou égale à 10 nm serviront de sources de dopants. Un recuit sous vide poussé ajustera leur distribution dans la région RF active. Cette stratégie vise à améliorer l’uniformité, explorer de nouveaux dopants et supprimer l’électropolissage ultérieur. L’enjeu consiste à inhiber la formation d’hydrures tout en préservant le gap supraconducteur. Les performances visées sont des facteurs de qualité de 8 × 10¹° à 2 K et des gradients accélérateurs de 40–45 MV/m. Soutenu par le projet européen EPITA, cet axe répond aux exigences des futurs accélérateurs, notamment du FCC.
Le second objectif consiste à développer des revêtements protecteurs minimisant les pertes diélectriques, notamment celles associées aux systèmes à deux niveaux. Des composés alternatifs seront étudiés, prolongeant les traitements du CEA combinant oxydes diélectriques et recuit, associés à des facteurs de qualité records en régime quantique.
Un traitement unique pourrait ainsi améliorer les performances dans les deux régimes. Spectroscopies tunnel et X, et TOF-SIMS relieront propriétés supraconductrices, chimie et distributions des dopants. Deux équipements ALD permettront le développement sur échantillons puis le transfert aux résonateurs. Les mesures RF seront réalisées au CEA et chez ses partenaires, notamment au Fermilab aux températures millikelvin, afin d’identifier les mécanismes limitants et d’optimiser les surfaces pour ces deux applications.
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This project will establish atomic layer deposition (ALD) as a versatile surface engineering approach for superconducting resonators, addressing two complementary objectives for particle accelerators and quantum technologies.
The first objective is controlled doping of bulk niobium superconducting radiofrequency (SRF) cavities. Conformal films up to 10 nm thick will provide solid dopant sources, followed by high-vacuum annealing to tailor dopant profiles within the RF-active region. This strategy aims to improve uniformity, explore alternative dopants and eliminate subsequent electropolishing. Particular attention will focus on suppressing hydride formation while preserving the superconducting energy gap. Target performances include quality factors of 8 × 10¹° at 2 K and accelerating gradients of 40–45 MV/m. Supported by the European EPITA project, this work addresses requirements for future accelerators, including the Future Circular Collider.
The second objective is developing protective coatings with minimal dielectric losses by mitigating defects, particularly two-level systems. Building on CEA treatments combining dielectric oxide coatings and annealing that achieved record quantum-regime quality factors, alternative compounds will be investigated.
Ultimately, one treatment could enhance performance across quantum and accelerator operating regimes. Tunneling spectroscopy, X-ray spectroscopy and TOF-SIMS will correlate local superconducting properties with surface chemistry and dopant distributions. Two ALD systems will support development on coupons and transfer to resonators, building on demonstrated coating uniformity inside cavities. RF measurements will be conducted at CEA and partner laboratories, with Fermilab evaluating promising treatments at millikelvin temperatures. These investigations will clarify performance-limiting mechanisms and guide the rational design of optimized superconducting surfaces for both application domains.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme
Laboratoire : Laboratoire d’Intégration et Développement des Cavités et Cryomodules
Date de début souhaitée : 01-09-2027
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : proslier thomas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme

science de la matiere condensée, quantique.