Rastertunnelmikroskopie des Flussliniengitters in einem Supraleiter

In einem Typ-II Supraleiter entstehen durch das Anlegen eines Magnetfeldes Flusslinien. Diese Flusslinien besitzen zylindrische Form parallel zum Feld, und setzen sich aus einem wenige nm breiten normalleitenden Kern und zirkular fließenden Abschirmströmen zusammen. Das Verhalten des Flussliniengitters hängt von der magnetischen Induktion, der Temperatur, den Probendefekten und den supraleitenden Parametern in der Probe ab. Für eine Beschreibung sind die langreichweitige Abstoßung zwischen unterschiedlichen Flusslinien (E_VL), die Verankerungsenergie aufgrund der Wechselwirkung mit Kristalldefekten (E_pin), sowie thermische Fluktuationen (E_Th) zu berücksichtigen. Die unterschiedlichen Abhängigkeiten dieser drei Anteile liefern ein komplexes Phasendiagramm. Man erwartet ein geordnetes hexagonales Gitter wenn das Verhalten hauptsächlich durch E_VL bestimmt wird, ein ungeordnetes Gitter wenn E_pin, und einen flüssigen Zustand wenn E_Th dominiert. Zur direkten Beobachtung des Flussliniengitters bei kleinen Magnetfeldern eignen sich Magnetkraftmikroskopie und ähnliche Methoden, während bei großen Feldern (>100 - 200 mT) nur die Rastertunnelmikroskopie (STM) die benötigte Auflösung liefert. Derzeit existieren nur wenige solcher Untersuchungen, wobei die Anzahl der Flusslinien meist weniger als 100 beträgt, oder nur sehr kleine Teile des Phasendiagramms einbezogen werden. Eine größere systematische Studie ist nicht bekannt, wäre aber sehr wichtig für das Verständnis des Flussliniengitters. Das Ziel dieses Projekts ist die Analyse des Flussliniengitters über einen großen Bereich des Phasendiagramms (Magnetfeld vs. Temperatur). Diese Untersuchungen sollen systematisch für unterschiedliche Defektdichten durchgeführt werden, um dadurch die genaue Beziehung zwischen der mikroskopischen Struktur und den makroskopischen Eigenschaften bestimmen zu können. Dies liefert auch die Möglichkeit einer Verifikation der theoretischen Beschreibung des Flussliniengitters. Die makroskopischen Eigenschaften, wie reversible Parameter für die Theorie, die kritische Stromdichte oder Historie-Effekte werden aus SQUID Messungen gewonnen. Neutronenbestrahlung induziert geeignete Defekte (Verankerungszentren) mit einer genau kontrollierbaren Dichte. Der Hauptteil der Arbeit besteht in der Messung des Flussliniengitters mittels STM (und teilweise MFM) bei den gleichen Feldern und Temperaturen, bei denen die makroskopischen Eigenschaften bestimmt wurden. Um eine hohe statistische Signifikanz zu gewährleisten, wird eine hohe Flusslinienanzahl pro Bild benötigt (1000 oder mehr), was durch einen großen Scanbereich (33 m x 33 m) ermöglicht wird. Aus diesen Bildern werden die exakte quantitative Beziehung zwischen den Flusslinien- Versetzungen und der makroskopischen Stromdichte, Phasenübergänge, Ordnungsparameter und deren Korrelationsfunktionen, sowie Historie-Effekte bei Phasenübergängen bestimmt. Schließlich ermöglichen die makroskopischen und mikroskopischen Ergebnisse eine Kontrolle der theoretischen Beschreibung, insbesondere der "kollektiven Verankerungstheorie". Zum Beispiel können theoretisch vorhergesagte Korrelationsfunktionen direkt mit STM Ergebnissen verglichen werden. Für einen Großteil der Studie soll das Material NbSe_2 verwendet werden, das alle notwendigen Voraussetzungen für die Experimente besitzt. Andere Materialien decken weitere Eigenschaften ab.

Im Rahmen des vorliegenden Projekts sollte das Flussliniengitter eines Supraleiters mittels Rastertunnelspektroskopie untersucht werden. Supraleiter können außergewöhnlich hohe elektrische Ströme transportieren und außergewöhnlich hohe Magnetfelder erzeugen, und besitzen deshalb ein hohes Anwendungspotential.Bemerkenswerterweise bestimmt einzig die Verteilung der mikroskopisch kleinen Flusslinien die makroskopischen Ströme und Magnetfelder. Die spaghettiförmigen Flusslinien haben einen wenige Nanometer großen normalleitenden Kern und werden von mikroskopischen Strömen umkreist. Ihre Anzahl wächst proportional mit dem magnetischen Feld, so dass der mittlere Abstand zweier Flusslinien bei 1 T 49 nm beträgt. Aufgrund der Kreisströme stoßen sich Flusslinien gegenseitig ab und würden ein hexagonal geordnetes Gitter, in dem keine makroskopischen Ströme existierten, bilden. Allerdings können Materialdefekte Flusslinien verankern und dadurch das Gitter in Unordnung bringen, so dass die Agglomeration mikroskopischer Kreisströme einen makroskopischen Strom erzeugen kann. Folglich bestimmen die konkurrierenden Energieterme der Flusslinien-Flusslinien Abstoßung, der Flusslinienverankerung und zusätzlich, der thermischen Energie die Verteilung der Flusslinien und somit die makroskopischen Ströme und Felder.Eine wesentliche Frage des Projekts war, wie die makroskopischen Eigenschaften des Supraleiters von der mikroskopischen Verteilung der Flusslinien abhängen. Weiters unter- suchten wir die unterschiedlichen Phasen des Flussliniengitters und die Art der Übergänge. Dazu wurde das Gitter mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops aufgenommen. Materialdefekte, notwendig für die Flusslinienverankerung, konnten durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, wobei gleichzeitig ein zweites Maximum in der Feldabhängigkeit des Stromverlaufs entstand. Die folgende Liste beinhaltet einige der Resultate: Wir zeigten, dass unterhalb des zweiten Maximums die Defektdichte des Flusslinien- gitters direkt proportional zur makroskopischen Stromdichte ist. Bei höheren Feldern nimmt die Unordnung des Gitters weiter zu, aber die Stromdichte sinkt. Weiters untersuchten wir die unterschiedlichen Stufen der Defektbildung während des Ordnungs-Unordnungs Übergangs am Beginn des zweiten Maximums. Die zuerst do- minierenden Paarversetzungen wurden bei höherer Unordnung von Einzelversetzungen abgelöst. Aber während die KTHNY Theorie die Bildung von Einzeldefekten im ungeordneten Zustand vorhersagt, fanden wir eine bemerkenswerte Korngrenzenstruktur im Supraleiter. Ähnlich wie bei Schmelzübergängen, beobachteten wir eine möglicherweise hexatische Phase, welche sich durch eine kurzreichweitige Translationsordnung und eine quasi- langreichweitige Rotationsordnung auszeichnet. Weiters untersuchten wir die zeitliche Entwicklung der Flusslinienstrukturen und fan- den selbst in den stark ungeordneten Gittern kaum Flusslinienbewegung, also einen glasartigen Zustand, ähnlich einer schnell gefrorenen Flüssigkeit.