Cryogenic Scanning Laser Microscopy: Investigation of large BSCCO mesas and development of a polarizing microscope

Abstract

This thesis is divided into two parts.

Concerning the first part: Motivated by the discovery of coherent Terahertz emission from large sized BSCCO stacks of intrinsic Josephson Junctions by Ozyuzer et al. [1], low-temperature laser scanning microscopy (LTSLM) was used to investigate similar samples. In LTSLM a focused laser beam at position (x,y) is heating the sample in its vicinity. Simultaneously the electrical resistance of the sample is monitored by 4- or 2-wire sensing. By blanking the laser beam and using lock-in technique the response, i.e., the beam induced voltage change DeltaV(x,y) to the heat distribution at the location (x,y) can be detected. Scanning the laser beam and mapping the response DeltaV(x,y) leads to the so-called voltage image of the sample. Depending on the sample under investigation this voltage image is a map of all kinds of physical properties. This experimental technique was used with two objectives. First, the plasma wave causing the THz emission should be imaged, and second, the phenomenon of self-heating, which is considerable for large mesas, should be investigated. Indeed, it was possible to map a standing wave pattern at bias points with low currents, where Ozyuzer et al. have detected THz radiation. At high currents, where the back bending in the current-voltage relation indicates strong self heating, a feature appears in the LTSLM voltage images, which was clearly identified as an electro-thermal domain (hot spot) created by the temperature dependence of the c-axis resistivity in the BSCCO-mesa. In this bias interval a standing wave pattern appears beside this feature at certain bias points. In order to investigate whether this standing wave pattern is associated with THz emission, a simple interferometer with a bolometer as detector was realized. With the help of this set-up it was possible to detect THz radiation from mesas at high bias currents (hot spot bias regime) and to determine its frequency. It could be confirmed that the frequency of the emitted radiation and the bias voltage is determined by the Josephson relation for a wide range of different base temperatures. This way other mechanisms, causing THz radiation, rather than the Josephson effect can be excluded.

Concerning the second part: Originally it was planned to extend the low-temperature scanning laser microscope with the facility of polarizing microscopy. The idea was to combine the LTSLM voltage imaging with the possibility of magnto-optical imaging. But it soon turned out that a new design would be necessary. A laser scanning polarizing microscope has certain advantages in comparison with a conventional polarizing microscope: Very high illumination intensities can be reached easily, the resolution can be improved by the factor 1.4 if a confocal optical design is used, and the serial signal processing facilitates the optimization of the signal-to-noise ratio. In addition, it is usually not necessary to remove the contrast of non-magnetic origin by subtracting an image of the uniform magnetized sample from the image of interest. In this thesis a design for a cryogenic scanning polarizing microscope (CSPM) is discussed in detail, tests and first results of the system are presented, and an outlook is given how two proceed with this project.

[1] L. Ozyuzer et al., Science 318, 1291 (2007)

Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Teil 1, "Large BSCCO Mesas: A Low-Temperature Scanning Laser Microscopy Study": Im Jahre 2007 konnten L. Ozyuzer und seine Kollegen zum ersten Mal die Emission von kohärenter Terahertz-Strahlung aus BSCCO-Einkristallen nachweisen [1]. Die Emitter waren Mesas, die Stapel aus intrinsischen Josephson-Kontakten bilden, mit beträchtlichen lateralen Abmessungen (ca. 300 µm x 50-100 µm) und einer Höhe von ungefähr 1 µm. Unter Verwendung der Tieftemperatur-Raster-Laser-Mikroskopie (TTRLM) wurden im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit ähnliche Proben untersucht. Bei der TTRLM erzeugt ein auf einen Punkt (x,y) in der Probenoberfläche fokussierter Laserstrahl eine lokalisierte Erwärmung. Gleichzeitig wird die Spannungsantwort der Probe auf einen konstanten Strom mit Hilfe einer Vier- oder Zweipunktmessung überwacht. Die Amplitudenmodulation des Laserstrahls hat zur Folge, dass die Temperatur der lokalisierten Erwärmung ebenfalls moduliert wird. Dies führt zu einer von der Lasersondenposition abhängigen Spannungsantwort DeltaV(x,y), die mit Hilfe von Lock-in-Technik ausgelesen werden kann. Durch Rastern der Lasersonde über die Probe und Aufzeichnen der Spannungsantwort DeltaV(x,y) lassen sich so genannte Spannungsbilder aufnehmen. Abhängig von der untersuchten Probe können diese Spannungsbilder verschiedenste, physikalische Eigenschaften abbilden. Es wurden zwei wissenschaftliche Zielsetzungen verfolgt: Erstens sollten die Plasmawellen, die die THz-Strahlung erzeugen, mittels TTRLM abgebildet werden, und zweitens sollte der Selbstheizeffekt, von dem man ausgehen kann, dass er in Stapeln dieser Größe beträchtlich ist, untersucht werden. Tatsächlich war es möglich in einer Probe Stehwellenmuster abzubilden, wenn diese an elektrischen Arbeitspunkten mit schwach aufgeprägtem Strom betrieben wurde, die genau in dem Arbeitsbereich lagen, in dem L. Ozyuzer THz-Strahlung detektiert hatte. Wird ein stärkerer Strom aufgeprägt, so biegt die Strom-Spannungs-Kurve auf Grund des Selbstheizeffektes nach oben ab verläuft dann fast senkrecht. In diesem Arbeitsbereich zeigte sich in den TTRLM-Spannungsbildern ein Muster, das eindeutig als elektro-thermische Domäne (Hot Spot) identifiziert werden konnte. Neben diesem Hot Spot waren in bestimmten Stromintervallen Stehwellenmuster zu sehen. Um die Frage zu klären, ob diese Stehwellenmuster mit THz-Strahlung korrelieren, wurde ein Interferometer mit einem Bolometer als Detektor realisiert. Auf diese Weise war es möglich THz-Strahlung im besagten elektrischen Arbeitsbereich (hot spot bias regime) nachzuweisen und ihre Frequenz zu bestimmen. Desweiteren wurde für unterschiedliche Basistemperaturen bestätigt, dass die Frequenz der emittierten Strahlung und die angelegte Spannung durch die Josephson Relation bestimmt sind. Teil 2, "A Cryogenic Scanning Polarizing Microscope for Magneto-Optical Imaging": Ursprünglich sollte das vorhandene Tieftemperatur-Raster-Laser-Mikroskop um die Möglichkeit zur Polarisationsmikroskopie erweitert werden. Die Idee war, TTRLM-Spannungsbilder mit magneto-optischen Bildern zu kombinieren. Aber es stellte sich bald heraus, dass ein komplett neuer Versuchsaufbau erforderlich ist. Ein Raster-Polarisationsmikroskop hat eindeutige Vorteile gegenüber einem konventionellen Polarisationsmikroskop: Es können ohne großen Aufwand hohe Beleuchtungsintensitäten erreicht werden, die Auflösung verbessert sich durch das konfokale Design um den Faktor 1.4 und die serielle Signalverarbeitung erleichtert die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis. Desweiteren ist es für gewöhnlich nicht notwendig, die Bilder mit einem Differenzbildverfahren nachzubearbeiten, um den Kontrast nicht-magnetischen Ursprungs zu entfernen. In dieser Arbeit wurde ein Tieftemperatur-Raster-Polarisationsmikroskop entwickelt und implementiert. Tests und erste Ergebnisse werden vorgestellt und es wird ein Ausblick gegeben, wie dieses Projekt fortgesetzt werden kann.

[1] L. Ozyuzer et al., Science 318, 1291 (2007)