Paarbrechungsstrom von supraleitenden Heterostrukturen

Der kritische Strom eines Supraleiters, der den Dissipationsbeginn in einem sich noch im supraleitenden Zustand befindenden Material bezeichnet, ist einer der Schlüsselparameter von größter Bedeutung sowohl für die Grundlageforschung als auch für die technischen Anwendungen der Supraleiter. Es wurden enorme Bestrebungen unternommen um den kritischen Strom in Hochtemperatursupraleitern (HTSL) durch Verbesserung der Flussschlauchverankerung zu erhöhen. Dieser jedoch ist vom Paarbrechungsstrom, der den Übergang zum normalen Zustand markiert, begrenzt. Der Paarbrechungsstrom soll nicht wie der kritische Strom durch eine geringe elektrische Spannung definiert werden, da dieses Kriterium gegen die durch die Flussschlauchbewegung verursachte Dissipation zu empfindlich ist, sondern an einem gewissen Punkt des Widerstandsüberganges, der die Änderung des thermodynamischen Zustandes markiert, z.B. an der Übergangsmitte. Dies bedarf der Aufnahme des ganzen supraleitenden Überganges bis in den normalen Zustand, an sehr hohen Stromdichten und Dissipationsniveaus. Gehemmt von der starken Probenerwärmung, haben nur sehr wenige Experimente den überkritischen Strombereich in HTSL untersucht. Die Grundvoraussetzungen für eine präzise Abschätzung des Paarbrechungsstromes in einem breiteren Temperaturbereich unterhalb des Überganges sind eine verfeinerte Pulsmesstechnik und die sehr geringe Dicke der leitenden Schichten in denen die hohe Leistungsdissipation vorkommt. Die letztere Bedingung wird erfüllt durch den besonderen Aufbau der zu untersuchenden Übergitter und Heterostrukturen, in welchen ultradünne supraleitende Schichten mit isolierenden Pufferschichten alternieren. Daraus resultiert eine viel kürzere Phononenübertragungszeit die durch den Abfluss der Dissipationswärme über die beiden Seiten der aktiven Schichten zusätzlich halbiert wird. Untersucht werden künstliche Heterostrukturen welche auf normalen HTSL als auch auf unendlichen Schichtstrukturen basieren. Letztere stellen die Mindeststrukturanforderung für das Auftreten von Hochtemperatursupraleitung dar, nämlich das gleichzeitige Vorhandensein der unendlichen Schichten und der Ladungsreservoirblocks. Die Widerstandsmessungen an hohen Stromdichten, durchgeführt um den Paarbrechungsstrom der ultradünnen Superstrukturen zu ermitteln, werden durch Messungen des Hall-Effektes und des Magnetowiderstandes ergänzt. Die hohen Stromdichten ermöglichen die Untersuchung der freien Flussschlauchbewegung indem die Flussschlauchverankerung überwunden wird, und modulieren auch die Unterdrückung der supraleitenden Fluktuationen. Die sehr dünnen gekippten HTSL Filme werden verwendet um die nicht-ohmsche Leitfähigkeit an hohen elektrischen Feldern parallel der c-Richtung der Kristallstruktur zu untersuchen und den Paarbrechungsstrom in dieser Richtung indirekt zu ermitteln. Deren Geometrie hat einen endlichen Wert der Lorentz-Kraft auf die Josephson-Segmente der geknickten Flussschläuche zufolge, die erlaubt ihre freie "channeling" Bewegung bei hohen Stromdichten zu untersuchen.

Der kritische Strom eines Supraleiters, der den Dissipationsbeginn in einem sich noch im supraleitenden Zustand befindenden Material bezeichnet, ist einer der Schlüsselparameter von größter Bedeutung sowohl für die Grundlageforschung als auch für die technischen Anwendungen der Supraleiter. Der kritische Strom ist jedoch vom Paarbrechungsstrom begrenzt, der den Übergang zum normalen Zustand markiert. Der Paarbrechungsstrom soll nicht wie der kritische Strom durch eine geringe elektrische Spannung definiert werden, da dieses Kriterium gegen die, durch die Flussschlauchbewegung verursachte Dissipation, zu empfindlich ist, sondern an einem gewissen Punkt des Widerstandsüberganges, der die Änderung des thermodynamischen Zustandes markiert. Dies bedarf der Aufnahme des ganzen supraleitenden Überganges bis in den normalen Zustand, an sehr hohen Stromdichten und Dissipationsniveaus. Gehemmt von der starken Probenerwärmung, haben nur sehr wenige Experimente den überkritischen Strombereich in Hoch-Temperatur- Supraleitern (HTSL) untersucht. Die Grundvoraussetzungen für eine präzise Abschätzung des Paarbrechungsstromes in einem breiteren Temperaturbereich unterhalb des Überganges sind eine verfeinerte Pulsmesstechnik und die sehr geringe Dicke der leitenden Schichten in denen die hohe Leistungsdissipation vorkommt. Die Widerstandsmessungen an hohen Stromdichten, durchgeführt um den Paarbrechungsstrom der ultradünnen Superstrukturen zu ermitteln, werden durch Messungen des Hall-Effektes und des Magneto-Widerstandes ergänzt. Die hohen Stromdichten ermöglichen die Untersuchung der freien Flussschlauchbewegung indem die Flussschlauchverankerung überwunden wird, und modulieren auch die Unterdrückung der supraleitenden Fluktuationen. In unterdotierten HTSL macht sich das Einsetzen der Nichtlinearität am deutlichsten in der Hall-Leitfähigkeit bemerkbar, und dessen Temperatur ist bedeutsam höher als in den optimal dotierten HTSL-Filmen, was darauf hindeutet, dass das kritische Verhalten sich von dem der supraleitenden Amplitude-Fluktuationen unterscheidet. Vicinale Filme bieten zusätzlich die Möglichkeit, den Strom nicht parallel mit den kristallographischen Schichten anzuwenden. Wenn das Magnetfeld parallel mit diesen Schichten angelegt wird, erlaubt die experimentelle Geometrie eine finite Lorentz-Kraft auf die Josephson Flussschläuche, die deren Bewegung entlang der Ebenen induziert (Channelling). Untersuchungen vom anisotropen elektrischen Transportverhalten wegen der Bewegung der Flussschläuche wurden durchgeführt an hohen Niveaus derer Lorentzkraft und derer Geschwindigkeit, das heißt, in Stromdichten viel höher als bei vorher publizierten Messungen, und in elektrischen Feldern um sechs Größenordnungen höher als das Kriterium des kritischen Stroms. Die Signatur des Channellings wird deutlicher in wachsenden elektrischen Feldern