Untersuchung des supraleitenden Proximity-Effekts mit Normalleitern und Ferromagneten mittels Rastertunnel-Spektroskopie

Abstract

In dieser Arbeit wurden in Übereinstimmung mit früheren Experimenten weitere Hinweise gefunden, dass Gold ein Supraleiter mit einer kritischen Temperatur im Millikelvin-Bereich ist. Dazu wurden Schichtsysteme aus dem BCS-Supraleiter Aluminium und den Edelmetallen Gold und Silber untersucht. Durch den supraleitenden Proximity-Effekt dringen korrelierte Elektronenpaare in den Normalleiter ein und induzieren dort supraleitende Eigenschaften. Mit Hilfe von Rastertunnelspektroskopie wurde die lokale Quasiteilchenzustandsdichte an der Gold- bzw. Silberoberfläche der Proben gemessen. Diese weist eine Energielücke auf, die im Fall von Gold größer ist als durch die quasiklassische Theorie vorhergesagt. Berücksichtigt man dagegen eine attraktive Elektron-Elektron-Wechselwirkung in Gold, ist die Übereinstimmung mit der Theorie gut. Man erhält einen BCS-Kopplungsparameter NV=0.1 +/- 0.03. Der Vergleich mit Silber, dass sehr ähnliche elektronische Eigenschaften wie Gold hat, bestätigt, dass die verwendete quasiklassische Theorie gut zur Beschreibung der untersuchten Systeme geeignet ist. Grenzflächeneinflüsse als Erklärung für die vergrößerte induzierte Energielücke konnten weitgehend ausgeschlossen werden.Als weiteres Metall wurde Palladium mit Hilfe des Proximity-Effekts untersucht, das nach theoretischen Vorhersagen eine starke Elektron-Phonon-Kopplung aufweist, sich gleichzeitig aber auch nahe an der Grenze zum Ferromagnetismus befindet. Als wahrscheinliche Erklärung dafür, dass Palladium kein Supraleiter ist gelten Spinfluktuationen. Für den Proximity-Effekt mit Palladium gibt es unterschiedliche Aussagen, welches der elektronischen Bänder entscheidend sei. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die Elektronen des s-Bands entscheidend sind. Unter Verwendung von Literaturwerten für die Elektron-Phonon-Wechselwirkung wird außerdem die Stärke der Eletron-Spinfluktuationskopplung abgeschätzt.Die Messungen wurden mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) durchgeführt, dass bei sehr tiefen Temperaturen bis hinab zu 270 mK arbeitet und eine sehr hohe Energieauflösung ermöglicht. Für ortsaufgelöste Messungen der lokalen Zustandsdichte über einen größeren Bereich oder zum Auffinden einzelner kleiner Strukturen wurde das STM im Rahmen dieser Arbeit um x-y-Positioniertische für die Probe erweitert.Ein weiterer Teil der Arbeit bestand in der Untersuchung von Supraleiter-Ferromagnet-Strukturen. Hier wurde als schwacher Ferromagnet zunächst die Legierung PdNi verwendet. Hierbei zeigte sich, dass die Legierung inhomogen war auf der Größenordnung von 100 Nanometern. Die Veränderung der lokalen Quasiteilchenzustandsdichte am Übergang von Bereichen mit schwacher hin zu stärker ausgeprägter Supraleitung wurde untersucht. Dabei wurde eine ungewöhnliche Form der Spektren beobachtet. Aufgrund der Inhomogenität wurde für die Untersuchung von Sytemen mit lateral strukturierten Ferromagneten Kobalt verwendet. An einer solchen Probe konnten erste Messungen in veränderlichen Magnetfeldern durchgeführt werden. Sie bestand aus zylinderförmigen, periodisch im Abstand von 1 µm angeordneten Mikromagneten unter einer supraleitenden Aluminiumschicht.