Order Parameter Symmetry of the Electron-Doped Infinite-Layer Cuprate Superconductor Sr1-xLaxCuO2

Abstract

Crucial to the development of a microscopic theory of high transition temperature (high-Tc) superconductivity in the cuprates is the knowledge of the symmetry of the order parameter characterizing the pairing of electrons in the superconducting state. Cuprate superconductors with various crystal structures are known; however, all of them exhibit a common feature, the copper oxide (CuO2) plane where Cooper pairs form. A cuprate essentially consisting of CuO2 planes is therefore of special interest because secondary effects, possibly stemming from too complex crystal structures, can be ruled out in advance. This thesis explores the order parameter symmetry of such a simple cuprate, the electron-doped infinite-layer cuprate Sr1-xLaxCuO2 (SLCO), denoted as the parent structure of high-Tc superconductors. Four kinds of samples were fabricated and investigated, SLCO thin films, SLCO/gold/niobium planar tunnel junctions (PTJs), SLCO grain boundary Josephson junctions (GBJs), and an SLCO tetracrystal superconducting quantum interference device (SQUID). Strong evidence for a predominant dx2-y2-wave (d-wave) symmetry of the order parameter of SLCO was found experimentally. As a basis for the experimental work, single crystalline SLCO thin films with doping x = 0.15 and maximum Tc = 22 K were grown epitaxially by means of pulsed laser deposition. [001]-oriented KTaO3 and SrTiO3 single crystals were used as substrates. In case of SrTiO3, a BaTiO3 thin film was deposited prior to SLCO, acting as buffer layer. To induce superconductivity, the as-grown SLCO thin films were annealed under reducing conditions, which is described in detail. The thin films were characterized by reflection high-energy electron diffraction, atomic force microscopy, x-ray diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy, and electric transport measurements at temperatures down to T = 4.2 K. The influence of different process parameters on the final SLCO and BaTiO3 thin film properties is discussed in detail. To explore a potential s-wave component of the order parameter of SLCO, SLCO/gold/niobium PTJs were fabricated by in-situ thin film technologies. Measurements of electric transport across these junctions did not exhibit any Cooper pair (CP) tunneling, however, nonlinear current-voltage characteristics gave evidence for quasiparticle (QP) tunneling across a thin insulating SLCO surface layer. To examine its origin, x-ray photoelectron spectroscopy and x-ray Auger-electron spectroscopy on SLCO thin film reference samples were performed, revealing a reduced copper species as the reason for insulating behavior, which is likely to be formed during post-deposition vacuum annealing of SLCO. Hence, PTJs could neither confirm nor exclude a potential s-wave component of the order parameter but yielded technically important information on the electronic state of the surface of SLCO. To examine the superconducting gap and a potential d-wave specific subgap structure, SLCO GBJs were grown epitaxially on BaTiO3-buffered 24° SrTiO3 bicrystals. Both CP and QP tunneling was examined. CP tunneling revealed an extraordinary high critical current density for electron-doped cuprates of jc > 1 kA/cm2 at T = 4.2 K. Thermally activated phase slippage was observed as a dissipative mechanism close to Tc and Fiske and flux flow resonances were visible. Out-of-plane magnetic fields H revealed remarkably regular Fraunhofer-like jc(H) patterns, as expected for either s-wave superconductors or for d-wave superconductors with an unfaceted grain boundary. By means of QP tunneling spectroscopy, the density of states was found to be V-shaped, indicative of a d-wave order parameter symmetry, with a zero-temperature energy gap of 2.4 meV. No d-wave specific zero-bias conductance peak was observed, which is discussed in terms of extrinsic influences, such as oxygen vacancies. Since the order parameter symmetry of SLCO could not be pinpointed by the abovementioned GBJ experiments, a phase-sensitive test was performed. For that purpose, an SLCO film was deposited on a BaTiO3-buffered STO tetracrystal and two types of SQUIDs were patterned: a reference SQUID comprising one single grain boundary and a probe SQUID comprising the tetracrystalline point. The reference SQUID was designed to act as a conventional SQUID for both s-wave and d-wave symmetry, whereas the probe SQUID was designed to induce a frustrated ground state of the wave function only in case of d-wave symmetry. The magnetic field dependence of the critical current and of the LC resonance of the probe SQUID gave strong evidence for a frustrated ground state, implying predominant d-wave symmetry of the order parameter of SLCO.

Für die Entwicklung einer mikroskopischen Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung (HTSL) in den Kupraten ist die Kenntnis der Ordnungsparameter(OP)-Symmetrie entscheidend, welche die Paarung der Elektronen im supraleitenden Zustand kennzeichnet. Es sind Kupratsupraleiter mit verschiedenen Kristallstrukturen bekannt, aber alle besitzen eine Gemeinsamkeit, die CuO2-Ebene, in der sich die Cooper-Paare bilden. Ein Kuprat, das im Wesentlichen aus CuO2-Ebenen besteht, ist daher von besonderem Interesse, da Nebeneffekte, die möglicherweise von einer zu komplexen Kristallstruktur herrühren, im Voraus ausgeschlossen werden können. Diese Arbeit erforscht die OP-Symmetrie eines solch einfachen Kuprats, des elektronendotierten Unendlichschichters Sr1-xLaxCuO2 (SLCO), der als Mutterstruktur der HTSL bezeichnet wird. Vier Arten von Proben wurden hergestellt und untersucht, SLCO-Dünnfilme, planare SLCO/Gold/Niob-Tunnelkontakte, SLCO-Korngrenzen-Josephson-Kontakte und ein supraleitendes SLCO-Tetrakristall-Quanteninterferometer. Es wurden deutliche experimentelle Hinweise auf eine dominante d-Wellen-Symmetrie des OP von SLCO gefunden. Als Grundlage der experimentellen Arbeit wurden einkristalline SLCO-Dünnfilme mit einer Dotierung x = 0.15 und einem maximalen Tc = 22 K mittels gepulster Laserablation epitaktisch aufgewachsen. Als Substrate wurden [001]-orientierte KTO- und STO-Einkristalle verwendet. Im Falle von STO wurde vor dem SLCO-Dünnfilm ein BaTiO3-Dünnfilm aufgewachsen, der als Pufferschicht diente. Wie ausführlich beschrieben wird, mussten die SLCO-Dünnfilme nach der Deposition unter reduzierenden Bedingungen getempert werden, um supraleitende Eigenschaften zu entwickeln. Die Dünnfilme wurden mittels RHEED, AFM, XRD, RBS und elektrischer Transportmessungen bei Temperaturen bis minimal T = 4.2 K charakterisiert. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die endgültigen Eigenschaften der SLCO- und BaTiO3-Dünnfilme wird ausführlich behandelt. Um eine potentielle s-Wellen-Komponente des OP von SLCO zu erforschen wurden planare SLCO/Gold/Niob-Tunnelkontakte mithilfe verschiedener Dünnfilmtechnologien in-situ hergestellt. Elektrische Transportmessungen dieser Kontakte zeigten keinen Cooper-Paar(CP)-Tunnelstrom, jedoch deuteten nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinien auf einen Quasiteilchen(QP)-Tunnelstrom durch eine dünne, isolierende SLCO-Oberflächenschicht hin. Mithilfe von XPS und XAES an SLCO-Dünnfilmen als Referenz wurde eine reduzierte Form von Kupfer als Ursache des isolierenden Verhaltens identifiziert, welche sich wahrscheinlich während dem Vakuum-Tempern nach der Deposition bildete. Die planaren Tunnelkontakte konnten daher eine potentielle s-Wellen-Komponente weder bestätigen noch ausschließen, aber sie lieferten technisch relevante Informationen über den elektronischen Zustand der SLCO-Oberfläche. Um die supraleitende Energielücke und eine d-Wellen-spezifische Struktur innerhalb der Lücke zu untersuchen wurden SLCO-Korngrenzenkontakte auf BaTiO3-gepufferten 24° STO-Bikristallen epitaktisch aufgewachsen. Sowohl das CP- als auch das QP-Tunneln wurde untersucht. Das CP-Tunneln zeigte eine für elektronendotierte Kuprate außergewöhnlich hohe kritische Stromdichte von jc > 1 kA/cm2 bei T = 4.2 K. Thermisch aktivierter Phasenschlupf wurde nahe Tc als dissipativer Mechanismus beobachtet und Fiske-Resonanzen sowie Resonanzen aufgrund von magnetischem Flussfließen waren sichtbar. Mithilfe eines Magnetfelds H senkrecht zur Probenebene wurden außergewöhnlich regelmäßige, Fraunhofer-artige jc(H)-Muster nachgewiesen, wie sie entweder für s-Wellen-Supraleiter oder aber für d-Wellen-Supraleiter mit einer unfacettierten Korngrenze erwartet werden. Mittels QP-Tunnelspektroskopie wurde eine V-förmige Zustandsdichte nachgewiesen, die auf eine d-Wellen-Symmetrie des OP hindeutete und bei T = 0 einen Wert der Energielücke von 2.4 meV besaß. Eine d-Wellen-spezifische Zero-Bias-Anomalie wurde nicht beobachtet, was in Bezug auf äußere Einflüsse, wie z.B. Sauerstoff-Fehlstellen, diskutiert wird. Da die OP-Symmetrie von SLCO mithilfe der oben erwähnten Korngrenzen-Kontakte nicht eindeutig bestimmt werden konnte, wurde ein phasensensitives Experiment durchgeführt. Dazu wurde ein SLCO-Dünnfilm auf einem BaTiO3-gepuffertem SrTiO3-Tetrakristall aufgewachsen und zwei Arten von SQUIDs strukturiert: ein Referenz-SQUID, das eine einzelne Korngrenze umfasst, und ein Versuchs-SQUID, das den tetrakristallinen Punkt enthält. Das Referenz-SQUID war so ausgelegt, dass es sowohl bei s-Wellen- als auch bei d-Wellen-Symmetrie als gewöhnliches SQUID agiert, wohingegen das Versuchs-SQUID so ausgelegt war, dass es genau im Falle einer d-Wellen-Symmetrie einen frustrierten Grundzustand der Wellenfunktion induzieren würde. Die Magnetfeldabhängigkeit des kritischen Stroms und der LC-Resonanz des Versuchs-SQUIDs lieferten deutliche Hinweise auf einen frustrierten Grundzustand, was auf eine dominante d-Wellen-Symmetrie des OP von SLCO schließen ließ.