c-Achsen-Transporteigenschaften des intrinsischen Supraleiter-Ferromagnet-Hybrids RuSr2GdCu2O8

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die elektrischen Transporteigenschaften des Ruthenokuprats RuSr2GdCu2O8 erstmalig anhand weniger zehn Mikrometer großer Einkristalle zu untersuchen. Die Verbindung zeigt unterhalb von etwa 50 K eine intrinsische Abfolge aus supraleitenden CuO2-Doppelebenen und schwach ferromagnetischen RuO2-Ebenen, die durch isolierende SrO-Schichten voneinander getrennt sind. Senkrecht zu den Ebenen (entlang der c-Achse) ergibt sich daher intrinsisch die Abfolge Supraleiter/Isolator/Ferromagnet/Isolator/Supraleiter... Es gab im Vorfeld Hinweise, dass es zu einer Josephson-artigen Kopplung zwischen benachbarten supraleitenden Doppelschichten kommen könnte. Aufgrund der magnetischen Komponente wurde hierbei die Existenz sogenannter pi-Kontakte diskutiert. In dieser Arbeit galt es daher, mittels exklusiven c-Achsen-Transportmessungen einerseits die Existenz der intrinsischen Josephson-Kontakte nachzuweisen, andererseits die mögliche Wechselwirkung zwischen magnetischem und supraleitendem Untergitter zu studieren.

Die Koexistenz von magnetischer Ordnung und Supraleitung konnte mit Hilfe von Magnetisierungsmessungen bestätigt werden. Aufgrund der Verwendung einzelner RuSr2GdCu2O8-Einkristalle waren diese erstmals orientierungsabhängig bezüglich der intrinsischen Ebenen möglich. Das unterschiedliche Verhalten in Feldern parallel bzw. senkrecht zu den Ebenen bestätigte dabei den 2-dimensionalen Charakter der supraleitenden Schichten und ließ Aussagen über die Lage der magnetischen Momente zu.

Während bisherige Untersuchungen des elektrischen Transportverhaltens stets die integralen Eigenschaften polykristalliner RuSr2GdCu2O8-Proben wiedergaben, gelang es im Rahmen dieser Arbeit, durch eine geeignete Probenpräparations- und Messtechnik einzelne Einkristalle gezielt entlang ihrer c-Achse zu vermessen. Als Nebenprodukt wurde dabei eine neue Methode zur Herstellung von Mesa-Strukturen auf wenigen µm großen Kristallen entwickelt. Bereits im normalleitenden Zustand oberhalb von etwa 55 K ergaben sich deutliche Unterschiede zu den polykristallinen Proben. Im supraleitenden Zustand konnte die Existenz eines intrinsischen Josephson-Effekts mittels elektrischer Transportmessungen erstmals direkt bestätigt werden. Ein signifikanter Einfluss des magnetischen Untergitters auf den supraleitenden Zustand konnte hingegen nicht nachgewiesen werden. Alle beobachteten Effekte ließen sich im Rahmen eines gewöhnlichen intrinsischen Josephson-Effekts mit unmagnetischen Barrieren erklären. Speziell ergaben sich keine Hinweise auf einen 0-pi-Phasenübergang der Josephson-Kontakte.

The aim of this thesis was the investigation of the electrical transport properties of the ruthenocuprate RuSr2GdCu2O8, for the first time by exploring individual micron-sized single crystals. Below approx. 50 K, the compound shows intrinsically an alternating sequence of superconducting CuO2 bilayers and weakly ferromagnetic RuO2 layers, separated by insulating sheets of SrO. Perpendicular to the layers (i. e. along the c-axis) this leads to the following sequence: superconductor/insulator/ferromagnet/insulator/superconductor... There were indications that there might exist a Josephson-like coupling between adjacent superconducting bilayers. Following this scenario, the magnetic component might provoke the existence of so called pi-junctions. This thesis focused on measuring exclusively the c-axis transport, proving the existence of intrinsic Josephson junctions and examing the interaction between the magnetic and superconducting sublattices.

The coexistence of magnetic order and superconductivity was confirmed by magnetization measurements. Using individual RuSr2GdCu2O8 single crystals, these measurements were performed for the first time with a known orientation of the magnetic field with respect to the intrinsic layers. The different behaviour for fields parallel and perpendicular to the layers, respectively, confirmed the 2-dimensional character of the superconducting layers and provided insight in the alignment of the magnetic moments.

Former investigations of the electrical transport always measured the integral properties of polycrystalline RuSr2GdCu2O8 samples. By means of appropriate preparation and measurement techniques, however, within the framework of this thesis individual single crystals could be measured specifically along their c-axis. Additionally, a new method for patterning mesa structures on top of micron sized crystals was developed. Already in the normal state (above approx. 55 K) there were striking differences in comparison with the polycrystalline samples. In the superconducting regime the existence of an intrinsic Josephson effect could be proved for the first time directly by electrical transport measurements. A significant influence of the magnetic sublattice on the superconducting state, however, could not be detected. All observations could be explained in the framework of a conventional intrinsic Josephson effect without magnetic barriers. In particular, there were no indications for a 0-pi transition of the Josephson junctions.