Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm

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Förderungen
Kooperationen
Dissertationen & Diplomarbeiten
Publikationen

I.D.3. Verlustmechanismen und Vortexphasen

Auch 12 Jahre nach ihrer Entdeckung sind Hoch-T_c Supraleiter (HTSL) Gegenstand intensiver Untersuchungen. Diese Materialklasse zeichnet sich durch die sog. Shubnikov-Phase aus, die durch das Eindringen von quantisiertem magnetischen Fluß (Vortices) gekennzeichnet ist, deren mögliche Bewegung im supraleitenden Zustand zu Energiedissipation führt. Für ein fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden Physik, aber auch im Hinblick auf technologische Anwendungen wie Digitalelektronik, Medizintechnik, Energietechnik oder Meßtechnik ist es unabdingbar diese ‘Verlustphase’ mit verschiedenen Meßmethoden zu untersuchen. In unserer Gruppe werden dabei im wesentlichen zwei verschiedene Meßverfahren angewendet. Zum einen sind es nichtinvasive magnetische Messungen, die die Antwort des Supraleiters auf stationäre und Wechselfelder messen, zum anderen kontaktierte elektrische Transportmessungen. Die erhaltenen Informationen lassen sich kombinieren und geben einen Einblick in die Dimensionalität und die Wechselwirkung der Vortices untereinander sowie mit einem Transportstrom und stimulieren dadurch einen Dialog zwischen Experiment und Theorie.

Eine Möglichkeit der Detektion des diamagnetischen Antwortsignals auf magnetische Wechselfelder bietet das ac-Suszeptometer. Hier können Messungen als Funktion der Frequenz, der Temperatur und des Magnetfeldes (ac und dc) durchgeführt werden. Unsere spezielle im Vakuum am Tankboden eines Helium-Kryostaten befindliche Meßanordnung bietet zwei Besonderheiten. Die Detektionsspulen lassen die Trennung der Antwortmagnetisierung parallel und senkrecht zur Probenoberfläche zu, zudem kann die Probe während der Messung zur thermischen Driftberücksichtigung aus dem Feld geklappt werden. Das Detektionssignal und dessen höhere Harmonische werden einem Zweiphasen-Lock-In Verstärker zugeführt und rechnergesteuert in einen Real- und einen Imaginärteil der Suszeptibilität umgewandelt. Daraus lassen sich Aussagen bezüglich Abschirmung und Verluste machen. In jüngster Zeit wurde der Einfluß der lateralen Geometrie dünner Y-Ba-Cu-O Schichtsysteme auf c untersucht. Aus der speziellen Auftragungsart Im{c }(Re{c }) und Vergleich zu Modellrechnungen können der Einfluß der Feldlinienverteilung sowie zeitabhängige Effekte wie ‘Vortex-Kriechen’ extrahiert werden. Die Bilder I.D.9 zeigen in eindrucksvoller Weise die Übereinstimmung von Experiment und Theorie beim sukzessiven Übergang von einer Scheibenstruktur zur Ringstruktur:

Eine weitere Möglichkeit zur Probenuntersuchung bieten kontaktierte elektrische Transportmessungen mit Hilfe des in Abschnitt I.D.2 beschriebenen 5 T-Kryostaten. Eine einfache aber leistungsfähige Methode sind Aufnahmen von Strom-Spannungs-(UI-) Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen in unterschiedlichen Magnetfeldern. Aus der funktionalen Form, insbesondere in doppeltlogarithmischer Auftragung, lassen sich Rückschlüsse auf den zugehörigen Dissipationsmechanismus in beispielsweise Y-Ba-Cu-O Systemen ziehen. Aus etwaigen Krümmungsänderungen und einem speziellen Skalierungsverfahren möglichst vieler UI-Kennlinien können interessante Schlüsse gezogen werden, wie etwa das Vorhandensein einer wahren supraleitenden Phase im Sinne eines verschwindenden elektrischen Widerstandes bei endlichen Temperaturen, des sog. Vortex-Glas Zustandes. Eine andere Besonderheit der UI-Kennlinien ist ein Spannungssprung bei einem bestimmten I*, der eindrucksvoll unter verschiedenen Bedingungen reproduziert und nach der Larkin-Ovchinnikov Theorie als geschwindigkeitsabhängige Vortex-Instabilität erklärt werden kann. Ferner lassen sich daraus charakteristische Streuzeiten der im supraleitenden Zustand bei endlichen Temperaturen vorliegenden Quasiteilchen bestimmen.

Bezüglich der UI-Kennlinien bieten andere HTSL Systeme wie beispielsweise Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ Filme einige Überraschungen. Diese Schichten sind durch eine strukturbedingte starke elektrische Anisotropie gekennzeichnet und können unter bestimmten äußeren Bedingungen (hohe Temperaturen oder hohe Magnetfelder) als reine 2D Systeme aufgefaßt werden. So wird ohne externes Magnetfeld davon ausgegangen, daß bei hinreichend tiefen Temperaturen thermisch aktivierte Vortex-Antivortex-Paare vorliegen, die logarithmisch gebunden sind und somit eine topologisch geordnete, verlustfreie Phase bilden, die sog. Berezinskii-Phase. Bei der Kosterlitz-Thouless Temperatur T_KT (< T_c) dissoziieren die Paare, was zu starken Verlusten führt und einen charakteristischen Sprung in den UI-Kennlinien zur Folge hat. Hohe Magnetfelder (einige Tesla) hingegen führen zur Ausbildung des sog. 2D Vortex-Glas (VG) Zustandes, der im Vergleich zum ‘normalen’ 3D VG durch einen endlichen elektrischen Widerstand charakterisiert ist (keine Krümmungsänderung in den UI-Kennlinien vorhanden). Dieses wichtige theoretische Konzept konnte von uns unlängst erstmals direkt experimentell nachgewiesen werden. Bild I.D.10 zeigt den Übergang in der Kritizität der Vortices mit steigendem Magnetfeld im Vergleich zu theoretischen Vorhersagen.

Eine andere Möglichkeit, Informationen über UI-Kennlinien und Vortexphasen zu erhalten, bieten dc-Magnetisierungsmessungen mit Hilfe der SQUID-Technik. Zum Einsatz kommt hierbei ein kommerzieller SQUID der Fa. Quantum Design für Temperaturen von 2 K bis 400 K und Magnetfelder bis 5.5 T. Das Nachweissystem besteht aus zwei senkrecht zueinander angeordneten, supraleitenden Nachweisspulen 2. Ordnung. Dadurch ist es möglich, sowohl die longitudinale als auch die transversale Magnetisierung winkelabhängig zu bestimmen. Möglich sind Messungen als Funktion der Zeit, des Magnetfeldes und der Temperatur. Selbstverständlich können neben supraleitenden Proben auch andere Magnetisierungsarten detektiert werden. Die bedienerfreundliche Anlage erlaubt ununterbrochene Messungen über einen Zeitraum von bis zu einer Woche. Aus den Relaxationsmessungen als Funktion der Zeit können durch zeitliche Differentiation mit anschließender Elimination der Zeit die schon oben erwähnten UI-Kurven erhalten werden. Durch Kombination beider Meßtechniken erhält man Informationen über ein Spannungsintervall von 18 Größenordnungen ist damit in der Lage, die Gültigkeit theoretischer Konzepte quantitativ zu beurteilen.

Desweiteren steht ein Eigenbau-SQUID zur Verfügung, der Magnetfelder im Bereich einiger µT bis 0.5 T bereit stellt. Das Nachweissystem ist hier ein planares, supraleitendes Spulenpaar. Im Gegensatz zum QD-SQUID besteht hier die Möglichkeit die Probe ins vorstabilisierte Magnetfeld über einen Drehmechanismus zu klappen. Somit können Relaxationsmessungen im Feld und ohne externes Feld im remanenten Zustand erfolgen. Durch die Kombination beider SQUID-Apparaturen kann das Vortex-Phasendiagramm über einen Bereich von 6 Größenordnungen im Magnetfeld abgetastet werden. Insbesondere der Bereich ultrakleiner Magnetfelder kombiniert mit hohen Temperaturen ist mit kommerziellen Geräten nicht zugänglich, bietet aber vom theoretischen Standpunkt aus eine Fülle neuer und zum Teil noch unverstandener Phänomene. Nachfolgendes Bild zeigt UI-Kennlinien von YbaCuO-Filmen im Magnetfeld von 100 G, wobei die obere Kurvenschar aus Transportmessungen stammt, während die untere mit dem Eigenbau-SQUID gewonnen wurden.

Förderungen:

Die Arbeiten wurden in der Abfangsphase durch das Forschungsschwerpunktprogramm des Landes Baden Württemberg gefördert sowie durch das BMFT (13N5703). Sie waren auch Teil eines europäischen HCM-Netzwerkes "Superconducting and Insulating Superlattices". Die Untersuchungen zum Vortex-Verhalten in YBaCuO Filmen, Vielfachschichten sowie extrem anisotropen HTSL-Schichten wurden durch die DFG im Rahmen des Einzelverfahrens unterstützt.

Kooperationen:

Die Kooperation mit den verschiedenen Labors des HCM-Netzwerkes wurde bereits im letzten Abschnitt erwähnt. Die untersuchten HTSL-Schichten des Tl-Systems wurden uns von der Gruppe um Prof. S.L. Yan, Nankai University, Tianjing, China zur Verfügung gestellt. Sehr hilfreich war die Zusammenarbeit auf theoretischem Gebiet mit Dr. E. H. Brandt, MPI Stuttgart.

Dissertationen & Diplomarbeiten:

"Vortex-Dynamik in YBa₂Cu₃O_7-d - Filmen mit Ring-struktur", Ch. Heinzel, Dissertation Universität Konstanz (1995).

"Einfluß mittelenergetischer Ionenbestrahlung auf die Vortexdynamik in epitaktischen YBa₂Cu₃O_7-x Filmen", Z. Xiao, Dissertation Universität Konstanz (1996).

"Charakterisierung ringförmiger HTSL-Filme mit Hilfe der verallgemeinerten ac-Suszeptibilität", Th. Herzog, Diplomarbeit Universität Ulm (1996).

"Dynamik und kritisches Verhalten von Vortexphasen in stark anisotropen Hoch-T_C Supraleiterschichten", H. A. Radovan, Dissertation Universität Ulm (1998)

Publikationen:

Thermally Activated Flux Motion in YBaCuO Thin Films: Experimental Evidence for the Temperature-Current Separability of the Activation Energy, Zh. Xiao, J. Häring, Ch. Heinzel, and P. Ziemann, Solid State Commun. 95, 153 (1995).

Vortex Dynamics in YBa₂Cu₃O_7-d Superconducting Films - Experimental Evidence for an Instability of the Vortex System at high Current Densities, Z. L. Xiao and P. Ziemann, Phys. Rev. B 53, 15265 (1996).

High Current Driven Instability in YBa₂Cu₃O_7-d Thin Films - Analysis in Terms of Self Organized Criticality, Z. L. Xiao and P. Ziemann, Physica C 282-287, 2363 (1997).

Anisotropy of a vortex instability observed at high current densities in YBa₂Cu₃O_7-d superconducting films, Z. L. Xiao and P. Ziemann, Z. Phys. B 104, 451 (1997).

Experimental Test of Theories Describing the Magnetic AC-Susceptibility of Differently Shaped Superconducting Films: Rectangles, Squares, Disks and Rings Patterned from YBaCuO-Films, Th. Herzog, H. Radovan, P. Ziemann, E. H. Brandt, Phys. Rev. B56, 2871 (1997).

Direct Evidence for a 2D Vortex-Glass Transition at T=0K in Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ Thin Films, Hai-hu Wen, H. A. Radovan, F.-M. Kamm, and P. Ziemann, S. L. Yan, L. Fang and M. S. Si, Phys. Rev. Lett 80, 3859 (1998)

Field Induced Crossover of Criticalities of Vortex Dynamics in Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ Thin Films, Hai-hu Wen, P. Ziemann, H. A. Radovan, and S. L. Yan, Europhys. Lett. 42, 319 (1998)

On the Magnetization Relaxation of Ring-shaped Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ Thin Films as Determined by SQUID Measurements, Hai-hu Wen, P. Ziemann, H. A. Radovan, and Th. Herzog, zur Publikation angenommen (Physica C).

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