Supraleitende Energielücke versus Phasenkohärenz: Verstärkung der Supraleitung in granularen Supraleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Dressel; Dr. Marc Scheffler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 363792753

Ziel ist die Untersuchung und das Verständnis von korrelierten Quantenzuständen in einem wohldefinierten mesoskopischen System, nämlich supraleitendem granularem Aluminium, wie es in dünnen Filmen auftritt. Dieses unterscheidet sich in seinen supraleitenden Eigenschaften drastisch von kristallinem Aluminium, insbesondere kann seine kritische Temperatur Tc um einen Faktor drei auf über 3 K erhöht sein. Die Ursache für diese Tc-Erhöhung war lange unverstanden, aber mittels optischer THz-Spektroskopie haben wir kürzlich eine Verstärkung der supraleitenden Energielücke bei zunehmender Entkopplung der Aluminium-Körner durch eine dünne Oxid-Schicht als entscheidende Komponente nachgewiesen. Noch stärkere Entkopplung macht diesen Effekt aber durch eine Unterdrückung der Phasenkohärenz des supraleitenden Kondensats zunichte. Dadurch erhält das Phasendiagramm von Tc als Funktion des spezifischen Widerstandes des Aluminiums ein charakteristisches breites Maximum ("superconducting dome"). Außerdem konnten wir Hinweise für unkonventionelles Verhalten auf der hochohmigen/isolierenden Seite des Phasendiagrams, einschließlich einer Pseudo-Energielücke ("pseudogap"), feststellen. Wir wollen nun durch Kombination von THz- und Mikrowellenspektroskopie die außergewöhnlichen supraleitenden Eigenschaften für hochohmiges, granulares Aluminium im Detail untersuchen. Insbesondere wollen wir klären, wie sich die durch quantenmechanisches Confinement erhöhte Energielücke auf der isolierenden Seite des Phasendiagramms fortsetzt. Dies betrifft einerseits das Annähern an einen möglichen Supraleiter-Isolator-Übergang und andererseits das Regime der Pseudo-Energielücke, bei dem es sich um lokalisierte Cooper-Paare handeln könnte, die kein supraleitendes Kondensat bilden. Diese Regimes sind nur zugänglich, indem wir die Experimente zu deutlich niedrigeren Energien ausdehnen. Unser Verständnis des außergewöhnlichen Phasendiagramms von granularem Aluminium basiert auf dem Einschluss der Elektronen auf der nm-Skala, in unserem Fall in Körner von 2 nm Größe. Durch noch geringere Korngrößen sollten sich supraleitende Energielücke und Tc weiter erhöhen lassen. Hierzu wollen wir thermisch verdampftes Aluminium auf Substrate abscheiden, die auf 4He-Temperaturen gekühlt werden. Durch solche noch kleineren Körnern wollen wir das Verständnis der Supraleitung in granularen Metallen auf höhere Energien erweitern und außerdem demonstrieren, wie durch strukturelle Beeinflussung auf der nm-Skala eine bewusste Verstärkung von Supraleitung einschließlich erhöhtem Tc erzielt werden kann, was sich auch für andere Materialien als vielversprechender Ansatz anbietet. Deshalb wollen wir auf Basis der an Aluminium gewonnenen Erkenntnisse weitere Elementsupraleiter als granulare Filme präparieren und ihre Energieskalen charakterisieren. Die Ergebnisse können zudem einen wichtigen Beitrag liefern, neuartige elektronische Zustände auch in anderen mesoskopischen Systemen zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Thermal evaporation system
• Gerätegruppe: 8330 Vakuumbedampfungsanlagen und -präparieranlagen für Elektronenmikroskopie