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Non-equilibrium vortex pinning effects at domains with suppressed critical temperature in cuprate superconductors
Kristijan Luka Mletschnig
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Wolfgang Lang
DOI
10.25365/thesis.53771
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17898.18777.434463-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der vorliegenden Arbeit wird ein unkonventioneller kritischer Zustand in supraleitenden YBa2Cu3O7−δ Dünnschichten mit quadratischer Anordnung nanostrukturierter Defektkanäle untersucht. Proben von 210 nm Stärke wurden mittels gepulster Laser-Ablagerung auf MgO Substraten epitaktisch aufgewachsen und anschließend durch perforierte Si Schablonen mit 75 keV He+ Ionen in zylindrische Defektkanäle von 180 nm Durchmesser im Abstand von 300 nm und 500 nm bestrahlt. Die Proben wurden von der Gruppe um Prof. Johannes Pedarnig am Institut für angewandte Physik an der Johannes Kepler Universität in Linz bereitgestellt.
Unterschiedliche Gleichgewichtszustände von Flussschlauchverteilungen innerhalb des Defektgitters wurden durch einfrieren verschiedener Ausgangsmagnetfelder erreicht. Die Abhängigkeit des kritischen Stromes bei herunterfahren des angelegten Magnetfelds bei konstanter Temperatur zeigt Maxima im kritischen Strom bei übereinstimmender Anordnung von Flussschlauch- und Defektgitter. Auffällig ist, dass die Abstände der Stromspitzen weiterhin denen des Gleichgewichtszustands entsprechen. Dies kann durch einem Modell mit terrassenförmiger Anordnung von Domänen mit gleicher Anzahl an Flussschläuchen pro Defektkanal erklärt werden. Zur Beschreibung dieses Zustands werden Flussschläuche zweier unterschiedlicher Mobilitäten
vorausgesetzt - starke Haftung in Defektkanälen und schwächer haftende Flussschläuche an intrinsischen Defekten.
Um die Haftung von Flussschläuchen an Defektkanälen zu untersuchen, wird die Winkelabhängigkeit der Übereinstimmungsbedingung des Magnetwiderstands bei
Verkippen des Magnetfelds bezüglich der c Achse der Probe gemessen. Es zeigt sich, dass die Komponente des angelegten Magnetfelds parallel zur c Achse der Übereinstimmungsbedingung bis zu einem Winkel von etwa 80◦ folgt, wobei das Aspektverhältnis für starre Flussschläuche in der gegebenen Geometrie einem Sperrwinkel von etwa 40◦ entspricht. Die gemessenen Positionen der kritischen Stromspitzen liegen demnach deutlich über diesem Wert, was einer erhöhten Haftung der Flussschläuche in den Defektkanälen entspricht.
Die Bestrahlung von Defektkanälen wird mittels numerischer Simulationen von He+ Ionentrajektorien und dazugehörigen Kollisionskaskaden in YBa2Cu3O7−δ entsprechend der tatsächlichen Probengeometrie veranschaulicht. Aus der ermittelten Defektkonzentration lässt sich mit Hilfe einer experimentell kalibrierten Paarbrechungsfunktion die zugehörige kritische Temperatur berechnen. Bestrahlung mit 75 keV He+ Ionen zeigt durchgängige Tc Unterdrückung in Defektkanälen mit lateralem Auflösungsvermögen von etwa 10 nm in 200 nm Tiefe. Weiters wurden Tc -Profile für 30 keV He+ Bestrahlung mit Gaußscher Strahlverteilung von 27 nm Halbwertsbreite berechnet, welche ebenfalls durchgängige Defektkanäle bis etwa 80 nm zeigen, wobei die Defektkonzentration mit steigender Tiefe rasch abfällt und der supraleitende Zustand der Probe darunter nicht vollständig unterdrückt wird.
Abstract
(Englisch)
In this thesis, investigations on an unconventional critical state in superconducting YBa2Cu3O7−δ thin films nanostructured with a square array of columnar defects are presented. Samples of 210 nm thickness were epitaxially grown on MgO substrates using pulsed-laser deposition and irradiated with 75 keV He+ ions through Si stencil masks with holes of 180 nm diameter at lattice spacings of 300 nm and 500 nm, respectively. The samples were provided by the group of Prof. Johannes Pedarnig at the Institute of Applied Physics, Johannes Kepler University in Linz.
Different initial equilibrium vortex distributions within the columnar defect array were established by in-field cooling at various initial magnetic fields. The critical
current dependency on applied magnetic field was measured upon down-ramping the magnetic field at constant temperature, revealing matching peaks of commensurate arrangement of vortices with the columnar defect array. The position of these peaks reveals an out-of-equilibrium arrangement of vortices, different from the ground state in field-cooled measurements. Remarkably, the distance between peaks still corresponds to the equilibrium matching field. The shifts of critical current peak positions for various initial field-cooled magnetic fields are explained by a terrace-like critical state model. The matching effect and the terraced critical state suppose the presence of two distinct vortex types of different mobility - strongly pinned vortices in the columnar defects and intrinsically pinned interstitial vortices.
The presence of strongly pinned vortices within the columnar defects is investigated by measurements of the angle dependence of the magnetoresistance, upon tilting the applied magnetic field with respect to the sample’s c axis. The parallel component of the magnetic field follows the matching condition up to a locking angle of about 80◦, exceeding the locking angle corresponding to the columnar defect’s aspect ratio of about 40◦. This implies strong pinning of vortices due to strong Tc suppression within the columnar defects.
The nature of the columnar defects is investigated by numerical simulations of critical temperature profiles for He+ ion irradiation of YBa2Cu3O7−δ . Single
ion trajectories and corresponding collision cascades are computed using common simulation programs for the actual dimensions of the stencil mask holes used in the fabrication of the samples. The critical temperature is computed from defect density profiles, obtained from simulation, using a pair-breaking fit, calibrated to experimental data. For 75 keV He+ ion irradiation continuous and complete Tc suppression is found within the irradiated area of the columnar defects, with a resolution of about 10 nm lateral straggle at 200 nm depth, whereas simulations of 30 keV He+ ion irradiation with lateral Gaussian beam distribution show a columnar defect structure up to 80 nm depth, forming a plume of sparse defect density below this depth.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
superconductivity cuprate superconductor YBCO vortex pinning non-equilibrium critical temperature domains
Schlagwörter
(Deutsch)
Supraleitung Supraleiter Kuprate YBCO Flussschlauch Haftung Nicht-Gleichgewicht kritische Temperatur Domänen
Autor*innen
Kristijan Luka Mletschnig
Haupttitel (Englisch)
Non-equilibrium vortex pinning effects at domains with suppressed critical temperature in cuprate superconductors
Paralleltitel (Deutsch)
Nicht-gleichgewichts Flussschlauchhaftungseffekte in Domänen mit unterdrückter kritischer Temperatur in Kupratsupraleitern
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
vii, 88, XXXII Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfgang Lang
AC Nummer
AC15306641
Utheses ID
47499
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |