Supraleitende Energielücke versus Phasenkohärenz: Verstärkung der Supraleitung in granularen Supraleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Granulares Aluminium – also nm-skalige, über Aluminumoxid-Barrieren stark gekoppelte Körner reinen Aluminums – besitzt außergewöhnliche supraleitende Eigenschaften, die bisher nicht vollständig verstanden sind. Insbesonde kann die kritische Temperatur Tc um mehr als einen Faktor zwei höher liegen als jene von reinem Aluminium (Tc = 1.2 K) und das Phasendiagramm von Tc zeigt einen sogenannten „superconducting dome“. In diesem Projekt haben wir eine spezielle Aufdampfanlage implementiert und optimiert, um thermisch verdampftes Aluminium in einer Sauerstoffatmosphäre auf kryogen gekühlte Substrate abzuscheiden. Wir haben zahlreiche Filme aus granularem Aluminium bei Substrattemperaturen von etwa 300 K (Raumtemperatur), 150 K und 100 K (Stickstoffkühlung) sowie 30 K (Heliumkühlung) abgeschieden. Wir finden jeweils „superconducting domes“, die für niedrigere Substrattemperaturen höher und ausgeprägter sind. Im Falle der mit Helium gekühlten Substrate beobachten wir an die Spitze des „domes“ Werte für Tc von mehr als 3 K. An diesen unterschiedlichen Proben haben wir breitbandige Mikrowellenspektroskopie durchgeführt, konkret Corbino-Reflektometrie bei Temperaturen herab bis 1.1 K. Hierbei erfordert die Oxidschicht auf den granularen Aluminium-Filmen eine detaillierte Beschreibung als Kontaktwiderstand. Hierzu haben wir eine neue Methode entwickelt, die spektrale Daten bei sehr niedrigen Frequenzen nutzt. Dies erlaubt uns, die intrinsische kinetische Induktanz der Proben zu bestimmen, die direkt von der superfluiden Dichte abhängt. Wir haben außerdem planare Mikrowellenresonatoren aus granularem Aluminium hergestellt und diese bei mK-Temperaturen und im Regime niedriger Photonenzahlen charakterisiert. Dadurch können wir unsere materialorientierten Untersuchungen zu granularem Aluminium direkter mit dem Anwendungsgebiet der Supraleiter mit hoher kinetischer Induktanz verknüpfen. Die Elektrodynamik bei höheren Frequenzen, rings um die supraleitende Energielücke, untersuchen wir mit THz-Spektroskopie. Um dabei auch charakterische Energieskalen untersuchen zu können, die unterhalb der niedrigsten Frequenzen und Temperaturen konventioneller THz-Spektroskopie liegen, haben wir einen speziell hierfür optimierten neuen THz-Kryostaten für Temperaturen unterhalb von 1.5 K entworfen und installiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterizing dielectric properties of ultra-thin films using superconducting coplanar microwave resonators. Review of Scientific Instruments, 90(11).
Ebensperger, Nikolaj G.; Ferdinand, Benedikt; Koelle, Dieter; Kleiner, Reinhold; Dressel, Martin & Scheffler, Marc
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Characterization of harmonic modes and parasitic resonances in multi-mode superconducting coplanar resonators. AIP Advances, 13(10).
Beydeda, Cenk; Nikolaou, Konstantin; Tochtermann, Marius; Ebensperger, Nikolaj G.; Untereiner, Gabriele; Farag, Ahmed; Karl, Philipp; Ubl, Monika; Giessen, Harald; Dressel, Martin & Scheffler, Marc
