Kollektive Fluxonmoden in intrinsischen Josephson-Kontakten unter Mikrowelleneinstrahlung

Abstract

Ziel der Arbeit war es, zu einem Verständnis der Dynamik in Stapeln von intrinsischen Josephson-Kontakten unter Einstrahlung von niederfrequenten Mikrowellen mit Frequenzen zwischen 2 GHz und 25 GHz zu gelangen. Dabei sollte der Idee nachgegangen werden, ob es möglich ist, mit niederfrequenten Mikrowellen Fluxon-Antifluxon-Paare in den Kontakten zu erzeugen und durch diese kollektive Fluxonresonanzen mit deutlich höheren Frequenzen im Stapel anzuregen. Insbesondere sollte in diesem Zusammenhang geklärt werden, in wieweit eine ortsauflösende Analyse der Dynamik mittels Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (TTREM) wesentliche Erkenntnisse liefern kann. Die untersuchten Proben wurden aus Bi(2)Sr(2)CaCu(2)O(8+x)-Einkristallen präpariert. Dazu wurde eine zweiseitige Präparationsmethode mittels Elektronenstrahl-Lithographie entwickelt und etabliert. Mit dieser Technologie konnten Stufenstapel mit supraleitenden Zuleitungen und definierter Geometrie reproduzierbar hergestellt werden. Integrale Transportmessungen zeigten, dass unter Mikrowelleneinstrahlung zahlreiche Strukturen auf den Strom-Spannungs-(I-U-) Kennlinien der Proben auftreten. Einige dieser Strukturen korrelieren mit dem Auftreten eines deutlichen periodisch variierenden Kontrasts in der elektronenstrahlinduzierten Spannungsänderung bei der ortsauflösenden TTREM-Analyse. Die TTREM-Spannungsbilder lassen sich durch stehende Plasmawellen in den Kontakten erklären, mit Wellenlängen in der Größenordnung von 10 Mikrometern bis 20 Mikrometern. Dabei schwingen die Plasmawellen zumindest im größten Teil des Stapels kollektiv in Phase. Für die Frequenzen dieser Oszillationen können Werte im Bereich von 100 GHz bis 300 GHz abgeschätzt werden. Zur Erklärung aller Effekte in den Stapeln von intrinsischen Josephson-Kontakten unter Mikrowelleneinstrahlung wurden zusätzlich für zwei verschiedene Modelle numerische Simulationen durchgeführt. Die Simulationen bestätigen, dass sich in den Stapeln unter den experimentell relevanten Bedingungen kollektive in-Phase Resonanzen ausbilden können. Als weiteres wesentliches Ergebnis lieferten diese Simulationen die Erkenntnis, dass ein großer Teil der auf den I-U-Kennlinien beobachteten Strukturen nicht durch kollektive Resonanzen, sondern durch chaotisches Schalten der einzelnen Kontakte verursacht wird. Mit der vorliegenden Arbeit konnte also gezeigt werden, dass mittels TTREM eine ortsaufgelöste Untersuchung der Dynamik in Stapeln aus intrinsischen Josephson-Kontakten möglich ist, und dass in solchen Stapeln unter Mikrowelleneinstrahlung kollektive in-Phase Resonanzen auftreten können. Für genau solche Resonanzen ist die Abstrahlung von hochfrequenten Mikrowellen mit Frequenzen von über 100 GHz aus dem Stapel mit maximaler Leistung zu erwarten.

The purpose of this work was to get to an understanding of the dynamics in intrinsic Josephson junction stacks under irradiation of microwaves with frequencies between 2 GHz and 25 GHz. One idea to be pursued was if it is possible to generate fluxon-antifluxon pairs in the junctions by irradiating low frequency microwaves onto the stacks and excite collective fluxon resonances with much higher frequencies this way. In particular, it was to be investigated if the dynamics can be visualized by spatially resolved measurements using Low Temperature Scanning Electron Microscopy (LTSEM). The samples investigated were patterned out of Bi(2)Sr(2)CaCu(2)O(8+x) single crystals. A double sided preparation technique using electron beam lithography was developed and established, permitting the reproducible production of stacks with superconducting leads and defined geometry. Integral transport measurements under microwave irradiation show numerous structures on the current-voltage (I-V) characteristics. Some of these structures correlate with the occurrence of a clear periodically varying contrast of the electron beam induced voltage change in spatially resolved LTSEM analysis. The LTSEM voltage images can be explained by standing plasma waves in the junctions, with wavelengths of the order of 10 microns to 20 microns. In this case, the standing plasma waves in at least the majority of the junctions oscillate collectively in-phase. The frequencies of these oscillations can be estimated to be between 100 GHz and 300 GHz. To explain all effects in intrinsic Josephson junction stacks under microwave irradiation, numerical simulations based on two different models were performed. These simulations confirmed that collective in-phase resonances can develop in the stacks under experimentally relevant conditions. As another significant result, the simulations showed that the majority of the observed structures on the I-V characteristics are not generated by collective resonances in the stacks, but are due to chaotic switching of individual junctions. In conclusion, it could be shown in this work that it is possible to use LTSEM for spatially resolved investigation of the dynamics in intrinsic Josephson junction stacks, and that collective in-phase resonances can occur in these stacks under the irradiation of low frequency microwaves. For these resonances, emission of high frequency microwaves from the stack with frequencies above 100 GHz and maximal power can be expected.