Manipulation und Kontrolle von Flussquanten in Supraleitern durch maßgeschneiderte Haftzentren

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden quantisierte Flusswirbel (Vortices) in Supraleitern untersucht, wobei diese Flusswirbel mit Hilfe von Nanostrukturen gezielt in ihren statischen und dynamischen Eigenschaften manipuliert und kontrolliert werden sollten. Durch das Einbringen von künstlichen Haftzentren (Pinningzentren) in Form von (sub-)Mikrolöchern (Antidots) ist es möglich die Bewegung von Abrikosov-Flusswirbeln zu verhindern bzw. zu kontrollieren und somit insbesondere den maximalen (kritischen) Suprastrom zu erhöhen. Hierbei hat die Anordnung der Antidots beträchtliche Auswirkungen auf den Magnetfeldbereich, in welchem der kritische Strom des Supraleiters eine Erhöhung zeigt. Ein aktuelles Forschungsgebiet im Bereich der Supraleitung beschäftigt sich mit der (anwendungsorientierten) Fragestellung der optimalen Anordnung von Pinningzentren. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode zur Herstellung von Nb-Filmen mit Antidots entwickelt. Die Kombination von Elektronenstrahllithographie und Lift-Off Prozess erlaubte die Variation der Geometrie und der Anordnung der Antidots im Submikrometerbereich. Es wurden Nb-Filme ohne Antidots, Filme mit zufällig verteilten Antidots und Filme mit periodischen, bzw. zufällig verdünnten periodischen und quasiperiodischen Antidots (Antidot-Arrays) untersucht. Wesentliche Verbesserungen an dem (selbst aufgebauten) Messsystem ermöglichten die Durchführung der in dieser Arbeit vorgestellten elektrischen Transportmessungen. Messungen des kritischen Stroms in Abhängigkeit des angelegten Magnetfeldes an Nb-Filmen mit Arrays aus kreisrunden Antidots zeigten ausgeprägte Kommensurabilitätseffekte (Matchingeffekte) des Vortexgitters mit den Antidot-Arrays nahe der kritischen Temperatur. In Messungen an quasiperiodischen 5-faltigen Penrose-Antidot-Arrays konnten erstmals Matchingeffekte und damit die Ausbildung eines quasiperiodischen Vortexgitters nachgewiesen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass - unterhalb des ersten Matchingfeldes (dort ist die Vortex-Dichte gleich der Antidot-Dichte) - in quasiperiodischen Arrays höhere kritische Strömen erzielt werden können als in vergleichbaren periodischen Arrays oder in Proben mit zufällig verteilten Antidots, was auf die Selbstähnlichkeit quasiperiodischer Strukturen zurückzuführen ist. Für Magnetfelder oberhalb des ersten Matchingfeldes empfehlen sich dagegen zufällig ausgedünnte periodische Pinninggitter. Bei gleicher Dichte von Pinningzentren erlaubt diese Anordnung im Vergleich zu zufällig verteilten oder periodischen Pinninggittern eine besonders effektive Reduktion der Dissipation bewegter Flusslinien. Dies geschieht durch gezielte Unterdrückung von „Channeling“ interstitieller Vortices. Das Einbringen von dreieckigen Antidots in einem periodischen Gitter ermöglichte die experimentelle Realisierung einer Abrikosov-Vortex-Ratsche. Die Visualierung der Vortexverteilung in Supraleitern mit Antidots durch magnetooptische Abbildung und Bitterdekoration ermöglichte ein detaillierteres Verständnis der experimentellen Befunde von Transportmessungen. In Bitterdekorationen wurde der Einfluss der Antidotdichte und -größe auf das Auftreten und die Form von Flusslawinen untersucht. Durch gezieltes Einbringen von Antidots erscheint es möglich die Form von Flusslawinen zu kontrollieren. Die Methode zur Strukturierung von Nb-Filmen wurde auf die Herstellung von so genannten Atom-Chips übertragen. Diese Mikrochips enthalten normal- oder supraleitende Strukturen zur Erzeugung magnetischer Potenziale für Bose-Einstein Kondensate von Atomen. Mit mäanderförmigen Stromleitern wurde es erstmals ermöglicht ein Beugungsexperiment mit einem Bose-Einstein-Kondensat von Atomen an einem magnetischen Gitter, erzeugt durch einen Mikrochip, durchzuführen. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung von SIFS-Josephsonkontakten, welche je nach ferromagnetischer Schichtdicke dF und Temperatur in 0- oder Pi-Kopplung vorliegen können. Bei einem Kontakt geeigneter Dicke war es möglich einen temperaturgesteuerten 0-Pi Übergang nachzuweisen. Neben der Charakterisierung dieser neuartigen Kontakte erfolgte die Suche nach einer möglichen sin(2Phi)-Komponente in der Strom-Phasenbeziehung. Durch eine Stufe in der ferromagnetischen Schicht entsteht ein 0-Pi-Kontakt, in welchem sich ein an der Stufe gepinnter, fraktionaler Vortex befindet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der erste per Design gewollte, gestufte 0-Pi-Kontakt mit zwei unterschiedlichen ferromagnetischen Dicken untersucht. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des gestuften Kontakts zeigten wesentliche Unterschiede im Vergleich zu zwei Referenzkontakten ohne 0-Pi-Diskontinuität. Beispielsweise konnten erstmals halbzahlige Nullfeldstufen in gestuften SIFS-Kontakten nachgewiesen werden.

In this thesis flux quanta (vortices) in superconductors were investigated. The aim was to manipulate and control the static and dynamic properties of the vortices by nanostructures. The placement of artificial pinning sites in form of submicron holes (antidots) allows to suppress or control the motion of Abrikosov vortices. This leads to an enhancement of the maximum (critical) supercurrent. The arrangement of antidots strongly affects the magnetic field range, at which the supercurrent is enhanced. An active field of research in superconductivity deals with the (technical) question of the optimal arrangement of pinning sites. Within this thesis a fabrication technique for Nb films with antidots was developed. The combination of e-beam lithography and lift-off allowed to vary the arrangement and the shape of antidots on a submicron scale. Nb thin films that contain no antidots, randomly distributed antidots, periodic arrays of antidots, and randomly diluted periodic or quasiperiodic arrangements of antidots were investigated. Improvements on the (self made) measurement setup allowed the transport measurements that are presented within this thesis. Measurements of the critical current vs. the magnetic flux density on samples with circular antidots showed pronounced commensurability (matching) effects close to the transition temperature when the flux line lattice is commensurate with the antidot lattice. Measurements on 5-fold Penrose arrays of antidots revealed matching effects for the first time, which provided the evidence of a quasiperiodic vortex lattice. Furthermore it was possible to demonstrate that below the first matching field (vortex density equals antidot density) a quasiperiodic array shows an enhanced critical current in comparison to periodic or randomly distributed arrangements of antidots. This can be ascribed to the self-similarity of the quasiperiodic lattice. For magnetic fields larger than the first matching field randomly diluted periodic pinning arrays can be recommended. With the same antidot density the dissipation due to the motion of flux quanta can be reduced in comparison to randomly distributed or periodic arrangements of pinning sites. This effect is due to the suppression of “channelling” of interstitial vortices. The placement of antidots with a triangular shape allowed the realization of an Abrikosov-vortex ratchet. The visualization of the vortex distribution by magneto-optical imaging and bitter decoration technique provided an improved understanding of the data obtained from transport measurements. Using Bitter decoration the dependence of the formation of flux avalanches on the size, density and/or arrangements of antidots was studied. With well placed antidots it seems to be possible to control the formation of flux avalanches. The fabrication technique for Nb-films was adapted to the fabrication of so-called Atom-chips. These microchips contain normal- or superconducting structures in order to create magnetic potentials for a Bose-Einstein condensate of atoms. Meander line conductor paths enabled the first diffraction experiment of a Bose-Einstein condensate of atoms on a magnetic lattice on a microchip. In addition SIFS-Josephson junctions were investigated. Depending on the thickness dF of the ferromagnetic interlayer and on the temperature, the phase difference can be 0 or Pi. Using a Josephson junction with suitable thickness a 0-Pi transition was found by varying the temperature. Besides the characterization of this new kind of Josephson junctions, the search for a possible sin(2Phi)-component in the current-phase relation was performed. A step in the ferromagnetic interlayer produces a 0-Pi-Josephson junction, with a fractional vortex pinned at the step. Within this work the first intentionally fabricated 0-Pi-Josephson junction with two different ferromagnetic thicknesses was investigated. The static and dynamic properties revealed a major difference in comparison to two reference junctions without 0-Pi discontinuity. For instance it was possible to find semi integer zero-field steps in stepped SIFS-junctions for the first time.