Einfluss thermisch und extern induzierter Vortices auf den elektrischen Transport in YBCO-Filmen

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der dynamischen Leitfähigkeit und kritischen Stromdichte von supraleitenden 50nm bis 600nm dünnen c‑achsen orientierten YBCO-Filmen auf MgO‑Substrat. Die Untersuchungen erfolgen durch temperatur-, feld-, frequenz- und anregungsamplitudenabhängige Suszeptibilitätsmessungen χ(T, Hdc, f, Hac) mittels eines kommerziellen SQUID-Magnetometers.

Hauptthema dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Vortices auf die supraleitenden Eigenschaften der YBCO-Filme. Aus den linearen frequenzabhängigen Suszeptibilitäten werden die durch Inversion gewonnen Leitwerte G′‑iG″ im Nullfeld genutzt, das Verhalten thermisch induzierter Vortices zu charakterisieren. Die dynamischen Leitfähigkeiten werden für alle Filme durch einen kohärenten, frequenzunabhängigen Bereich mit einem 3D-XY Verhalten unterhalb der kritischen Temperatur Tc und durch einen inkohärenten Ginzburg-Landau (GL) ähnlichen Bereich im Temperaturbereich von Tc bis T0 beschrieben. Der Übergang wird auf das Aufbrechen (blow-out) von Vortex-Ringen bei der blow-out Temperatur Tb zurückgeführt, die probendicken- und frequenzunabhängig bei einer inversen kinetischen Induktanz von Lk^-1(Tb)=35(5)nH^-1 erfolgt. Dieser universelle Wert setzt sich bis zum höchsten untersuchten Feld von 10kOe fort.

Im frequenzabhängigen GL-Bereich zeigt sich, dass das Einsetzen der Supraleitung mit der Erzeugung genau eines Vortexkernes gekoppelt ist und sich im Feld fortsetzt. Die große Stabilität dieser Effekte kann durch die Korngrenzen innerhalb der granularen YBCO-Struktur mit einem lokalen kritischen Feld der Körner von Hg(dg) zurückgeführt werden.

Die kritischen Stromdichten werden mittels einer hier vorgestellten experimentellen Methode aus den Magnetisierungsmessungen bestimmt und zeigen ebenfalls ein 3D-XY Verhalten unterhalb von Tc. Ebenfalls ist durch Anpassung des Tieftemperaturbereichs eine Bestimmung der mean-field Temperatur T0 möglich. Anhand des Einflusses der Körner wird das Verschwinden des 3D-XY Bereichs und des GL-Bereichs erklärt sowie die zueinander unterschiedlichen Absolutwerte der kritischen Stromdichte Jc(0).

This work investigates the dynamic conductivity and the critical current of superconductive 50nm to 600nm c-axes orient thin YBCO-films on MgO‑substrat. The investigation is done by temperature, field, frequency and amplitude dependent susceptibility measurements χ(T, Hdc, f, Hac) with a commercial SQUID-magnetometer.

The main subject of this work is to investigate the influence of vortices on the superconductive properties of YBCO-films. Therefore frequency dependent magnetization measurements will be done in external zero fields to characterize thermal effects only. The dynamic conductivity, gained out of the magnetization measurements by inversion, can be described for all films by a coherent, frequency dependent 3D‑XY area below the critical temperature Tc and an incoherent Ginzburg-Landau (GL) similar area in the temperature range from Tc to T0. The crossover between these both areas is identifying by the blow-out of Vortex-loops at the blow-out temperature Tb and shows a film thickness and frequency independent inverse kinetic inductance of Lk^-1(Tb)=35(5)nH^-1. This universal Value is found up to the highest applied field of 10kOe.

It shows up that the starting of superconductivity in the frequency dependent GL‑area is linked to the creation of exact one vortex-kernal. This behavior applies to higher fields too. The stability of this effect will be explained by the grain borders of the granularly YBCO-structured films with a local critical field Hg(dg) of the grains.

The critical currents will be extracted out of the magnetization measurements by an here explained experimental method and show the 3D-XY behavior below Tc too. By fitting the deep temperature area of the critical current, the mean-field temperature T0 could be extracted. The vanishing of the 3D-XY area and the GL-area can be explained by the influence of the grain, also the different absolute values of the critical current Jc(0) between the films.