Das Flussliniengitter in einem Supraleiter

Die vielfältigen Eigenschaften des Flussliniengitters in einem Supraleiter als Funktion verschiedener Parameter wie Magnetfeld, Temperatur und Materialeigenschaften werden seit vielen Jahren von unterschiedlichen Forschergruppen untersucht. Trotz zahlreicher Publikationen sind weiterhin viele Punkte unklar. Es existieren zwar theoretische Modelle, welche verschiedene Aspekte glaubwürdig beschreiben, doch diese müssen durch Experimente untermauert werden. Diese Experimente liefern oft nur unklare Vergleichsmöglichkeiten, da (i) das obere kritische Magnetfeld in vielen Supraleitern experimentell nicht erreicht werden kann, und deshalb nur ein kleiner Ausschnitt des Phasendiagramms für Vergleiche zur Verfügung steht, und (ii) die Defektstruktur der Supraleiter, welche in den theoretischen Modellen eine entscheidende Rolle spielt, kaum bestimmt werden kann. Aus diesem Grund erlauben die meisten Experimente bestenfalls eine qualitative Überprüfung der Theorie. Ziel dieser Studie ist ein quantitativer Vergleich von Theorie und Experiment, der über bisherige Studien hinausgeht. Dies soll durch zwei innovative Punkte erreicht werden. (i) Es sollen tatsächlich alle Parameter der theoretischen Modelle aus den Experimenten zur Verfügung gestellt werden. Dazu werden mit Neutronen bestrahlte Proben untersucht, in denen die Bestrahlungsdefekte die Flusslinienverankerung dominieren, und in denen die Dichte und Größe dieser Defekte durch Elektronenmikroskopie (TEM) bestimmt werden können. (ii) Um zusätzlich die Abhängigkeit von der Defektdichte zu erhalten, werden die Proben unterschiedlichen Neutronenfluenzen ausgesetzt, und nach jedem Schritt untersucht. Magnetische Messungen (z.B. in einem SQUID) liefern verschiedene Eigenschaften (kritische Stromdichte - J c, Fishtail Effekt) des Flussliniengitters, sowie weitere Parameter, die in die Theorie eingehen. Wir wollen uns in erster Linie auf eine Diskussion des Fishtail Effekts (das ist das zweite Maximum in der Feldabhängigkeit von J c) konzentrieren, da diese Eigenschaft einen Schlüssel zur Erklärung des gesamten Flussliniengitters darstellen dürfte. Das Verhalten (als Funktion von Temperatur, Feld und Defektdichte) sowie die Absolutwerte von J c sollen aber ebenfalls mit der Theorie verglichen werden. Weiters soll die Dynamik und Statik der Flusslinien auch direkt durch Rastersondenmikroskopie sichtbar gemacht werden, um die verschiedenen Phasen des Flussliniengitters zu untersuchen. Dabei werden der makroskopische (z.B. J c) und mikroskopische Zustand der Flusslinien (als Funktion von Temperatur, Feld und Defektdichte) direkt an einer Probe verglichen. Besonders genau untersucht werden jene Bereiche, in denen Phasenübergänge des Gitters (z.B. in der Nähe des Fishtail Effekts) und Phasenvermischung erwartet werden. Bekanntermaßen können supraleitende Eigenschaften (und insbesondere jene des Flussliniengitters) sehr stark von Material zu Material variieren. Weiters ist zu beachten, dass die Anwendbarkeit der meisten theoretischen Modelle von mehreren Materialparametern (z.B. Defektgröße, Kohärenzlänge, ...) abhängt. Es ist deshalb notwendig, die Experimente mit unterschiedlichen Materialien durchzuführen, um eine breite Auswahl von Parametern zu erhalten. Dabei werden in erster Linie verschiedene konventionelle einkristalline Supraleiter untersucht, da diese den Anforderungen der Studie am besten genügen (kleines oberes kritisches Magnetfeld, wenig Defekte im unbestrahlten Zustand), doch sollen Hochtemperatursupraleiter ebenfalls berücksichtigt werden.

Supraleiter sind einerseits vielversprechende technologische Materialien, da sie hohe elektrische Ströme verlustfrei transportieren können, und sie sind andererseits äußerst interessant für die Grundlagenforschung, da es makroskopische Quantenphänomene sind, die ihr Wesen bestimmen. Im Zuge des vorliegenden Projekts untersuchten wir, wie die makroskopischen elektrischen Ströme eines Supraleiters von den Materialeigenschaften und den kristallographischen Defekten einer Probe beeinflusst werden, sowie deren Verhältnis zum mikroskopischen Flussliniengitter. Ein Flussliniengitter entsteht, wenn der Supraleiter in ein Magnetfeld gebracht wird, und besteht aus vielen einzelnen zylinderförmigen quantisierten Flusslinien entlang der Feldorientierung. Materialdefekte können einzelne Flusslinien verankern und somit die Ordnung des Flussliniengitters zerstören. Es ist dann diese Unordnung des Gitters, die für die Erzeugung der makroskopischen Ströme sorgt. In unserer Studie lieferte eine Neutronenbestrahlung der Proben die dazu notwendigen Materialdefekte. Ein weiteres Ziel dieses Projekts war es, die theoretische Vorhersage des Zusammenhangs zwischen der maximal möglichen Stromstärke und den Materialeigenschaften zu überprüfen. Folgende Ergebnisse wurden unter anderem gefunden: - Die Neutronenbestrahlung führte in einigen Materialien zur Ausbildung eines zweiten Stromstärkemaximums bei hohen magnetischen Feldern. Wir untersuchten das Verhalten dieses zweiten Maximums als Funktion der Temperatur, des Magnetfeldes und der Defektdichte, und fanden gute qualitative Übereinstimmung mit der Theorie. - Indem wir zusätzlich die Defektgröße und -dichte berücksichtigten, war es erstmals möglich Theorie und Experiment völlig parameterfrei zu vergleichen. Dabei fanden wir eine große Diskrepanz und es muss deshalb die Gültigkeit der etablierten Theorie ernsthaft in Frage gestellt werden. - Wir zeigten, dass man mit Hilfe der Feldabhängigkeit bestimmter supraleitender Eigenschaften Zweibandsupraleiter von anisotropen Einbandsupraleitern unterscheiden kann. Dadurch fanden wir, dass eines unserer Materialien, nämlich NbSe2, ein Zweibandsupraleiter ist, dass also dessen Verhalten von zwei Energiebändern mit unterschiedlichen supraleitenden Eigenschaften bestimmt ist. - Wir konnten das Flussliniengitter eines unbestrahlten und erstmals das eines bestrahlten Supraleiters mit Hilfe eines Tunnelmikroskops aufnehmen. Bis zu 3000 Flusslinien pro Gitter erlaubten eine fundierte statistische Auswertung der Gittereigenschaften und dessen Unordnung, sodass dessen Beziehung zum makroskopischen Strom untersucht werden konnte.