Visualisierung der Stromverteilung in Josephsonkontakten mit 0- und pi-Facetten

Abstract

Mit der Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (TTREM) ist es möglich die Transporteigenschaften von Festkörpern bei tiefen Temperaturen lokal zu untersuchen. Insbesondere ist es möglich die Suprastromdichte $j_{s}$ in Josephsonkontakten abzubilden. Dies konnte durch den Vergleich von TTREM-Bildern mit berechneten Werten für $j_{s}$ gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden mittels TTREM Nd$_{2-x}$Ce$_{x}$CuO$_{4-y}$/Nb-Rampenkontakte (NCCO/Nb) und Josephsonkontakte mit ferromagnetischer Zwischenschicht Nb/Al-Al$_2$O$_3$/NiCu/Nb (SIFS-Kontakte) untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit gelang durch die Abbildung von $j_{s}$ in NCCO/Nb-ZickZack-Rampenkontakten der direkte Nachweis des Vorzeichenwechsels des Suprastroms aufgrund der $d_{x^{2}-y^{2}}$-Symmetrie des Ordnungsparameters in NCCO. Dies war zuvor lange Zeit kontrovers diskutiert worden.\\ Bei SIFS-Kontakten kann durch geeignete Wahl der Zwischenschichtdicke die Phasendifferenz der Wellenfunktion im Grundzustand in den supraleitenden Elektroden $0$ oder $\pi$ betragen. Durch unterschiedliche Zwischenschichtdicken in einem Kontakt lassen sich damit $0$-$\pi$-Kontakte in neuartigen Geometrien herstellen. Mit dem TTREM wurde die Suprastromverteilung von $0$-, $\pi$-, $0$-$\pi$-, $0$-$\pi$-$0$-, $0/2$-$\pi$-$0/2$-, $20\times$($0$-$\pi$)-Kontakten, sowie quadratischen und runden Kontakten bei denen der $0$-$\pi$-Übergang topologisch geschlossen ist und annularen Kontakten mit zwei $0$-$\pi$-Diskontinuitäten abgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass die Kontakte eine gute Qualität und eine bisher unerreichte Stromdichte der $\pi$-gekoppelten Bereiche von $j_{c}^{\pi} \approx 42\,\mathrm{A/cm^{2}}$ aufweisen. Durch Vergleich mit Simulationen wurden erste Hinweise für die Abbildung eines Semifluxons an der $0$-$\pi$-Grenzfläche eines linearen Kontakts gefunden.

With Low-Temperature-Electron-Microscopy (LTSEM) it is possible to analyse the transport properties of solids at low temperatures. In particular it is possible to image the supercurrent density j_s in Josephson junctions. This was demonstrated by comparing TTREM-images with calculated values for j_s. In this thesis ramp-type Nd$_{2-x}$Ce$_{x}$CuO$_{4-y}$/Nb-Josephson-junctions (NCCO/Nb) and Josephson junctions with a ferromagnetic interlayer Nb/Al-Al$_2$O$_3$/NiCu/Nb, so-called SIFS (superconductor-insulator-ferromagnet-superconductor) Josephson junctions were studied.It was demonstrated that LTSEM provides direct imaging of the sign change of the order parameter in superconductors with $d_{x^{2}-y^{2}}$-symmetry. This was a controversial issue over the last decade. A step like variation in the thickness of the F-layer allows the fabrication of linear and annular Josephson junctions with different numbers of 0 and pi facets. With the LTSEM $0$-, $\pi$-, $0$-$\pi$-, $0$-$\pi$-$0$-, $0/2$-$\pi$-$0/2$-, $20\times$($0$-$\pi$)- as well as square-shaped-, circular- and annular-Josephson-junctions were studied. It was demonstrated, that these junctions are of good quality and have critical current densities up to 42 A/cm2 at T=4.2 K, which is a record value for SIFS junctions with a NiCu F-layer so far. By comparing the measurements with simulations a first indication of a semifluxon at the $0$-$\pi$-boundary was found.