Inbetriebnahme und Modifikation eines Tieftemperatur-Raster-Polarisations-Mikroskops (TTRPM) und Abbildung der lokalen Flussdichteverteilung in supraleitenden Niob-Proben

Abstract

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen, die im Folgenden getrennt voneinander vorgestellt werden sollen. Teil I der Arbeit handelt von der Inbetriebnahme und der Modifikation des Tieftemperatur-Raster-Polarisations-Mikroskops. Ein Raster-Polarisations-Mikroskop hat gewisse Vorteile gegenüber konventionellen Polarisationsmikroskopen. So können mit einem Raster-Polarisations-Mikroskop ohne größeren Aufwand hohe Beleuchtungsintensitäten erreicht werden, was wichtig ist, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Zudem verbessert sich durch das konfokale Design des Raster-Polarisations-Mikroskops die Auflösung um den Faktor 1.4 und es ist für gewöhnlich nicht notwendig, die Bilder mit einem Differenzbildverfahren nachzubearbeiten, um den Kontrast nichtmagnetischen Ursprungs zu entfernen. Im Gegensatz zu konventionellen Polarisationsmikroskopen ermöglicht das Tieftemperatur-Raster-Polarisations-Mikroskop neben den magnetooptischen Effekten zusätzlich auch die lokalen elektrischen Transporteigenschaften mittels strahlinduzierter Spannungsänderung abzubilden. In dieser Arbeit konnte die Leistungsfähigkeit des Raster-Polarisations-Mikroskops sowohl bei Raumtemperatur als auch bei tiefen Temperaturen gezeigt werden. Teil II der Arbeit handelt von magnetooptischen Abbildungen sowohl an koplanaren Mikrowellen-Resonatoren aus Niob als auch an einem Niob-Einkristall. Anhand der magnetooptischen Abbildungen der Resonatoren konnten wichtige Erkenntnisse über magnetische Hysterese-Effekte in solchen koplanaren Mikrowellen-Resonatoren gewonnen werden und die zuvor im Rahmen einer vorangegangenen Doktorarbeit von Daniel Bothner durchgeführten Mikrowellen-Transmissionsspektroskopie-Experimente an den Resonatoren und die Ergebnisse daraus bestätigt werden. Zusätzlich konnte anhand von magnetooptischen Abbildungen bei diversen Entmagnetisierungs-Zyklen gezeigt werden, dass sich die durch die Flusswirbel verursachten Energieverluste in einem Resonator durch einen solchen Entmagnetisierungs-Zyklus beträchtlich reduzieren lassen. Dies ist ein relevantes Ergebnis für die Minimierung vortexbedingter Verluste in solchen Resonatoren. Anhand der magnetooptischen Abbildungen eines 2 mm dicken Niob-Einkristalls konnten erstmals dendritische Flusslawinen in einem supraleitenden Bulk-Material nachgewiesen werden. Hierbei treten die dendritischen Flusslawinen allerdings nur in einem sehr kleinen Temperaturintervall nahe der kritischen Temperatur des Niob-Einkristalls auf. Unterhalb dieser Schwellentemperatur dringt der Fluss homogen in den Einkristall ein. Die dendritischen Flusslawinen nahe der kritischen Temperatur stimmen in vielerlei Hinsicht mit denen durch thermomagnetische Instabilität verursachten Dendriten in Dünnfilmen weit unterhalb der kritischen Temperatur überein. Daher kann das Auftreten der dendritischen Flusslawinen im Einkristall durch eine dünne supraleitende Schicht an der Oberfläche des Niob-Einkristalls erklärt werden, die sich nahe der kritischen Temperatur unter bestimmten Voraussetzungen bilden kann.