Manipulation von Fluxonen durch nanoskaligem künstliche Haftgitter in Kuprat-Supraleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Kölle
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442093495

Supraleitung ist ein spannendes Phänomen mit vielen noch ungelösten grundlegenden Fragen. Relevante Experimente erfordern die Strukturierung von Supraleitern im Nanomaßstab zur Steuerung magnetischer Flussquanten (Fluxonen, Vortizes).Das Projekt zielt auf statische und dynamische Eigenschaften von Vortizes in Kuprat-Hoch-Tc-Supraleitern (HTSL) ab, die mit maßgeschneiderten Pinning-Landschaften strukturiert sind, mit bislang unerreichter Dichte, Komplexität und Mindestgröße von Pinning-Zentren. Theoretisch vorgeschlagene unkonventionelle kritische Zustände, der Zusammenhang zwischen Pinning-Potential und Defektgröße, Vortex-Schmelzen in künstlichen Pinning-Gittern und transversale Hall-Kommensurabilitätseffekte werden untersucht. Die Erforschung der Fluxonen-Manipulation, die evtl. für Bauelemente nützlich ist, umfasst Studien zur Hochgeschwindigkeits-Fluxonendynamik, zu komplexen Pinning-Strukturen und zu Vortex-Ratschen-Effekten.Während die komplizierte Kristallstruktur der HTSL eine Herausforderung für technische Anwendungen darstellt, wird das Projekt dies zu einem Vorteil für die Herstellung supraleitender Nanostrukturen mit beispielloser Auflösung machen. In HTSL werden Punktdefekte durch Heliumionenbestrahlung mit moderater Energie erzeugt, die die kritische Temperatur unterdrücken. Mit der Schattenprojektion eines Weitfeld-Ionenstrahls durch eine Maske oder dem fokussierten Strahl eines He-Ionenmikroskops (HIM) ist es möglich, nanoskalige Pinning-Landschaften in HTSL zu strukturieren. Diese werden in verschiedenen Experimenten weiter untersucht.Die Erzeugung von ultradichten Pinning-Gittern in HTSL durch Bestrahlung in einem HIM ist eine neuartige Technik, die kürzlich von den Antragstellen erstmalig demonstriert wurde. Dies ermöglicht die Erforschung eines bislang nicht zugänglichen Größen- und Parameterbereichs der starken Fluxonen-Kopplung in künstlichen Pinning-Gittern, mit Gitterkonstanten weit unterhalb der London Eindringtiefe. Die Experimente werden die erreichbaren kleinsten Längenskalen für die Nanofabrikation von fluxonischen Strukturen in HTSL ausloten und somit wichtige Impulse für die weitere Forschung liefern. Wesentliche Auswirkungen auf das Verständnis der Vortexphysik und auf die Entwicklung neuer funktionaler Materialien und ultraschneller supraleitender Schaltkreise mit geringer Verlustleistung sind zu erwarten. Dies kann zu verbesserten ultrakleinen Magnetfeldsensoren (SQUIDs) aus Kupratsupraleitern führen.Die Forschung wird von drei Partnern mit komplementärer Expertise und Ausstattung durchgeführt: W. Lang (Universität Wien), J. D. Pedarnig (Johannes Kepler Universität Linz) und D. Kölle (Eberhard Karls Universität Tübingen). Externe Kooperationspartner werden das Projekt mit molekulardynamischen Simulationen von Vortex-Anordnungen und Fluxonendynamik (V. Misko, Universität Antwerpen) und mit lokalen Sondentechniken zur Visualisierung von Vortizes (H. Suderow, Universidad Autónoma de Madrid) unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Österreich, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Wolfgang Lang; Dr. Vyacheslav Misko; Professor Dr. Johannes David Pedarnig; Professor Dr. Hermann Suderow