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Interplay of Microwave Irradiation and Magnetic Fields in Charge Transport through Superconductor-Ferromagnet-Superconductor-Heterostructures

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Dissertation
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Motiviert durch das Potential supraleitender Spintronik wird in der vorliegenden Dissertation das Wechselspiel von Supraleiter (S)-Ferromagnet (F)-Heterostrukturen unter Mikrowelleneinstrahlung, untersucht. Der aktuelle Stand der Forschung zu diesem Feld wird in Kapitel 1 vorgestellt. Das Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen zusammen, die in unserer Arbeit eine Rolle spielen, wie Supraleitung und Josephson-Kontakte (JJ) (Abschnitt 2.1 und 2.2), Mikrowellen (Abschnitt 2.3), Magnetismus (2.4). Das Zusammenspiel all dieser Faktoren wird in Abschnitt 2.5 dargelegt, bei dem Proximity-Effekte auftreten (Abschnitt 2.5.1) und ferromagnetische Josephson Kontakte (fJK) besonderes Verhalten unter MW Einstrahlung zeigen (Abschnitt 2.5.2). Das Kapitel 3 stellt die Herstellung und den Aufbau der Proben in Abschnitt 3.1 und den experimentellen Aufbau in Abschnitt 3.2 vor. Die untersuchten Proben bestehen aus zwei Lagen 50nm dünnem Al, die eine Lage von 12nm dünnem Co so einfassen, dass ein Stromfluss durch die Co-Lage gewährleistet ist. Aus Gründen der Herstellung ist die 12nm Co-Schicht in einem Teil der Probe auf ca. 1,5 nm reduziert, was die Ausprägung eines fJJ ermöglicht. Die statischen Transporteingenschaften dieser S-F-Heterostrukturen ohne MW-Einstrahlung werden in Kapitel 4 zusammengefasst. Die supraleitende Energielücke ∆ = 212 µeV wird anhand einer Referenzprobe aus einem Al-AlOx-Al-Kontakt mit nominell selber Geometrie wie die eigentlichen Proben in Abschnitt 4.1 bestimmt. Die Transporteigenschaften ohne MW-Einstrahlung und ohne Magnetfeld B erlauben in Abschnitt 4.2 die Messung der kritschen Ströme der fJJ von Ic = 4.4(1) µA. Darüber hinaus kann die Diffusionskonstante für Elektronen in Al-Co-Heterostrukuren von D = 21(4) cm2 s−1 bestimmt werden, die sich bei einer Co Dicke von dF > 10 nm auf D = 10(1) cm2s−1 reduziert. Anhand verschiedener Merkmale in den Strom-Spannungs-Kurven (I-V-Kurven) werden in Abschnitt 4.3 unterschiedliche Probenteile identifiziert, die durch die Schattenbedampfungsmethode entstehen. Jede Probe besteht demnach aus reinen supraleitenden Teilen (S-Teil), aus Teilen bei denen die Supraleitung in Al durch die darauf oder darunter liegende Co-Lage entweder stark geschwächt oder ganz unterdrückt wird (SF-Teil) und aus den Teilen, bei denen zwei Al-Lagen die Co-Lage einfassen und einen fJJ bilden können (S/FS Teil). In Abschnitt 4.4 sind Abkühlkurven gezeigt, die eine supraleitende Sprungtemperatur von Tc = 1.55(5) K aufweisen. Die Messungen unter Magnetfeldeinfluss in Abschnitt 4.5 ergeben kritische Magnetfelder von Bc ≈ 320 mT, aus denen sich die diffusive supraleitende Kohärenzlänge ξD ≈ 32 nm und die magnetische Eindringtiefe λ ≈ 719(32) nm bestimmen lassen. Das Al ist in unserer Probengeometrie demnach ein S vom Typ II. Die dynamischen Transporteigenschaften unter MW-Einstrahlung sind in Kapitel 5 zusammengefasst. Abschnitt 5.1 zeigt eine MW-induzierte Erwärmung der Proben auf, wobei der S/FS Teil mit dem fJJ lokal stärker erwärmt wird, was wir als Kopplung der MW mit dem F interpretieren. Die Supraleitung in den S-Teilen kann hingegen durch MW verstärkt werden, was in Abschnitt 5.2 analysiert wird. Dabei werden Quasiteilchen durch MW in Zustände angeregt, die weiter von der Fermienergie entfernt sind. Dort können nun freigewordene Zustände von Elektronen besetzt werden, die Cooperpaare bilden, was die Supraleitung verstärkt. In Abschnitt 5.3 werden Beobachtungen eines außergewöhnlichen Verlaufs des kritischen Stroms Ic bei Erhöhung des B-Feldes unter MW Einstrahlung gezeigt. Dabei können verschiedene Effekte unterschieden werden. Erstens ein nicht-monotoner Ic(B)-Verlauf, bei dem Ic um B = 0 T unterdrückt ist und sich bei Erhöhung des B-Feldes wieder einstellt (s. A. 5.3.1). Dieser Effekt tritt in verschiedenen Frequenzbändern auf. Zweitens ein anomaler Ic(B) Verlauf um 14.1(3) GHz, bei dem Ic(B) um B = 0 T zwar am stärksten ist, für kleine 0 T < B ≲ 20 mT aber ungewöhnlich schnell reduziert wird, bevor Ic bei weiter steigenden B-Feldern so monoton abnimmt, wie man es für eine orbitale Cooperpaar-Aufspaltung erwarten würde (siehe Abschnitt 5.3.2). Die dritte Beobachtung ist ein nicht-stetiger Sprung in Ic (B) bei B-Feldern weit über der Koerzitivfeldstärke von Co, die etwa 5 mT beträgt (s. A. 5.3.3). In Abschnitt 5.4, kann ein B-Feld-abhängiger Frequenzgang der MW-Verkabelung als triviale Ursache für das außergewöhnliche Ic (B)-Verhalten ausgeschlossen werden. In Abschnitt 5.5 wird eine temperaturabhängige Erhöhung von Ic bei B ̸= 0 T beobachtet, die in fJJ auftritt, deren F entweder eine statische, oder dynamische inhomogene Magnetisierung aufweisen. Die Ursache des außergewöhnlichen Ic (B)-Verlaufs kann nicht eindeutig geklärt werden, wird in Abschnitt 5.6 aber diskutiert. Der Abschnitt 5.7 zeigt Ergebnisse einer T-abhängigen Hysterese des Widerstandes, bevor im letzten Abschnitt 6 die Dissertation zusammengefasst wird.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Supraleitung, Ferromagnetismus

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ISO 690BLOCH, Andreas, 2024. Interplay of Microwave Irradiation and Magnetic Fields in Charge Transport through Superconductor-Ferromagnet-Superconductor-Heterostructures [Dissertation]. Konstanz: Universität Konstanz
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Prüfungsdatum der Dissertation

October 16, 2023
Hochschulschriftenvermerk
Konstanz, Univ., Diss., 2023
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Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
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Universitätsbibliographie
Nein
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