Ladungstransport in Josephson-Kontakten mit ferromagnetischer Ni3Al-Zwischenschicht

Abstract

Der Tunnelstrom durch einen Josephson-Kontakt ist im einfachsten Fall gemäß des Josephson-Effektes vom Sinus der Phasendifferenz der makroskopischen Wellenfunktionen der beiden Supraleiter abhängig. IC bezeichnet dabei den maximalen Wert, er wird als kritischer Strom bezeichnet. Ein negativer Strom ist demnach mit einer Phasenverschiebung um phie = pie verbunden. SFS-Josephson-Kontakte sollten aufgrund des oszillatorischen Verhaltens der Cooper-Paar-Dichte den kritischen Strom in Abhängigkeit der Zwischenschichtdicke invertieren. Dieses Phänomen wurde seit längerem, beginnend mit Arbeiten von Bulaevskii et al. [1.3.] theoretisch vorhergesagt. Erste experimentelle Bestätigungen erfolgten jedoch erst kürzlich (ab 2001) durch unterschiedliche Arbeitsgruppen (vgl. Kapitel 3.3.).

Die Pie-Kontakte finden mögliche Anwendungen als phaseninvertierendes Bauteil in supraleitenden digitalen Schaltkreisen und bieten großes Potential bei Quantencomputern. So schlugen beispielsweise Ioffe et al. [1.4.], Blais, Zagoskin [1.5.] und Zagoskin [1.6.] Pie-Kontakte als Kandidaten zur Realisierung eines zweiwertigen Quantensystems, auch qubit genannt, vor. Ein qubit stellt das Basiselement eines Quantencomputers dar. Blatter et al. [1.7.] schlugen eine Struktur vor, welche additiv zu normalen 0-Kontakten auch die Pie-Kontakte enthalten sollten. Dadurch soll möglichst die Kohärenzzeit der Zustände im qubit verlängert werden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, Josephson-Kontakte herzustellen, bei denen eindeutig sowohl 0-, als auch Pie-Zustände bestimmt werden konnten. Dabei wurde die Legierung Ni3l hinsichtlich ihrer möglichen Anwendung in SFS-Josephson-Kontakten untersucht. Die technologischen Anforderungen zur erfolgreichen Realisierung von SFS-pie-Kontakten werden ausführlich diskutiert. So muss zum einen die Parameterstreuung deutlich geringer als der eigentlich zu messende Effekt gehalten werden. Zum andern erfordert eine erfolgreiche Bestätigung von oszillierenden Abhängigkeiten des kritischen Stromes gegen die Schichtdicke möglichst geringe Schichtdickenvariationen. Möglichst viele Messwerte pro definierter Schichtdicke runden diese Anforderungen ab. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte ein Rückgriff auf die bewährte Niob-Aluminium Technologie zur Realisierung von Josephson-Kontakten. Demnach wurde als supraleitendes Material Niob verwendet. Mit Aluminium wurde primär zwischen der Grundelektrode und der ferromagnetischen Schicht eine zusätzliche Oxidbarriere eingefügt, um so größere Kontaktwiderstände erreichen zu können. Dadurch wurde die anschließende Messung erleichtert, bzw. ermöglicht. Als nächste Herausforderung erwies sich die Deposition einer Ni3Al-Zwischenschicht mit fest definierten ferromagnetischen Eigenschaften mit Hilfe der Kathoden-Zerstäubung (Sputtern) eines einzigen Targets. Im fünften Kapitel erfolgt die Darstellung dieses Teilaspektes. Motiviert durch Simulationen von E. Hollmann zum Sputtern von Mehrkomponententargets mit Hilfe unterschiedlichen Arbeitsgases erfolgte ein ausführliches Studium der Probenstöchiometrie und ihrer magnetischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde sowohl Argon, als auch Neon als Arbeitsgas verwendet. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, die Ni3Al-Zwischenschicht gezielt im paramagnetischen, bzw. ferromagnetischen Grenzbereich beeinflussen zu können. Im sechsten Kapitel wird zunächst anhand von Strom-Spannungs-Kennlinien und der Magnetfeldabhängigkeit des kritischen Stromes der eigentliche SFS-, bzw. SIFS-Josephson-Kontakt charakterisiert. Aufbauend darauf erfolgt die Charakterisierung der Abhängigkeit des kritischen Stromes gegen eine Schichtdickenvariation. Untersucht wurde sowohl eine paramagnetische Ni3Al-Zwischenschicht als auch eine ferromagnetische. Im ferromagnetischen Grenzbereich konnten erfolgreich zahlreiche 0-pie-Übergänge des kritischen Stromes gegen die Zwischenschichtdicke nachgewiesen werden. Im siebten Kapitel erfolgt eine ausführliche Diskussion der erzielten Ergebnisse. Wie sich gegen Ende dieser Arbeit zeigt, muss die bisherige Theorie zur Deutung der hier erzielten Ergebnisse erweitert werden. Dies entstand durch intensive Diskussionen mit M.Yu. Kupriyanov. Wie sich im einzelnen zeigt, zeigt Ni3Al aufgrund dieser Erweiterung erweiterte Perspektiven auf und stellt eine sehr interessante Ergänzung zu den bisher verwendeten Materialien dar.

The present dissertation reports on experimental studies about superconducting coupling through a thin Ni76Al24 film. A new patterning process has been developed, which allows in combination with the wedge shaped deposition technique the in situ deposition of 20 single Nb/Al/Al2O3/Ni3Al/Nb multilayers, each with its own well defined Ni3Al thickness. Every single multilayer consists of 10 different sized Josephson junctions, showing a high reproducibility and scaling with its junction area. Up to six damped oscillations of the critical current density against F-layer thickness were observed, revealing three single 0-pie–transitions in the ground state of Josephson junctions. Contrary to former experimental studies, the exponential decay length is one magnitude larger than the oscillation period defining decay length. The theoretical predictions based on linearised Eilenberger equations results in excellent agreement of theory and experimental results.