Manipulation von Fluxonen durch nanoskaligem künstliche Haftgitter in Kuprat-Supraleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt befasste sich mit neuen Wegen zur Verbesserung der Eigenschaften von Hochtemperaturkupratsupraleitern, also Materialien, die bei relativ hohen Temperaturen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können. Ein Hauptaugenmerk lag darauf, zu verstehen, wie nanoskopische Defekte, die durch Helium-Ionen-Bestrahlung erzeugt werden, mit „Abrikosov-Wirbeln“ interagieren. Dabei handelt es sich um winzige Stromwirbel, die ein magnetisches Flussquant tragen und in Supraleitern unter starkem elektrischem Strom oder in einem äußeren Magnetfeld entstehen. Wenn diese Wirbel nicht fixiert werden, bewegen sie sich und verursachen Energieverluste. Daher ist das Verständnis und die Kontrolle der Wirbel eine zentrale Herausforderung für praktische Anwendungen von Supraleitern. Unser Forschungsansatz nutzt fokussierte Helium-Ionen-Bestrahlung, um nanoskopische Defekte in den Kuprat-Supraleiter YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) einzubringen. Durch Computersimulationen der Kollision von Helium-Ionen mit Atomen in dünnen YBCO-Filmen haben wir die optimalen Bedingungen für die Entstehung dicht gepackter Defektzylinder ermittelt. Die Defekte fungieren als wirksame Verankerungen, sogenannten „Pinning”-Zentren, für die Wirbel. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben wir einen fokussierten 30 keV Helium-Ionenstrahl eingesetzt, um ultra-dichte Muster von Pinning-Zentren zu erzeugen. Elektrische Transportmessungen ergaben ein beispiellos hohes Kommensurabilitätsfeld von 6 Tesla für ein dreieckiges Defektgitter mit nur 20 Nanometern Abstand zwischen den künstlichen Defektzylindern. Diese hochmoderne Herstellungstechnologie eröffnet den experimentellen Zugang zu neuen Bereichen der Supraleiterphysik. Wir haben eine „geordnete Bose-Glas“-Phase in nanostrukturierten YBCO-Filmen vorgeschlagen, in der sich die Wirbel unter bestimmten Bedingungen zu einer einzigartigen glasartigen Struktur mit bemerkenswerten Eigenschaften anordnen. Interessanterweise zeigen nanostrukturierte Proben in hohen Magnetfeldern das Wiederauftreten des Null-Widerstands und den theoretisch vorhergesagten „transversalen Meissner-Effekt“, bei dem die Wirbelanordnung der Kippung des Magnetfelds widersteht. Zusätzlich zu YBCO hat das Projekt die Synthese und Analyse anderer Hochtemperatursupraleiter angeregt, wie z.B. des hoch anisotropen Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊x (Bi-2212). Detaillierte Messungen ergaben seine hervorragenden supraleitenden Eigenschaften. Vorläufige Experimente deuten darauf hin, dass die Nanostrukturierung durch fokussierte Helium-Ionenbestrahlung auch bei Bi-2212-Dünnschichten möglich ist. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts sind von unmittelbarer Bedeutung für Anwendungen, die unter extremen Bedingungen einen Null-Widerstand erfordern, wie z. B. leistungsstarke Elektromagnete für die medizinische Bildgebung. Die fortschrittlichen Techniken für die Nanostrukturierung dieser komplexen Materialien sind für die Herstellung supraleitender Schaltkreise und Sensoren unerlässlich, möglicherweise bis in den Bereich der Quantentechnologien. Wir gehen davon aus, dass die weitere Forschung im Rahmen unseres Netzwerks von Kooperationspartnern noch mehr der faszinierenden Quanteneigenschaften dieser bemerkenswerten Materialien aufdecken wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Angular magnetic-field dependence of vortex matching in pinning lattices fabricated by focused or masked helium ion beam irradiation of superconducting YBa2Cu3O7−δ thin films. Low Temperature Physics, 46(4), 331-337.
Aichner, B.; Mletschnig, K. L.; Müller, B.; Karrer, M.; Dosmailov, M.; Pedarnig, J. D.; Kleiner, R.; Koelle, D. & Lang, W.
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Ordered Bose Glass of Vortices in Superconducting YBa2Cu3O7−δ Thin Films with a Periodic Pin Lattice Created by Focused Helium Ion Irradiation. Nanomaterials, 12(19), 3491.
Backmeister, Lucas; Aichner, Bernd; Karrer, Max; Wurster, Katja; Kleiner, Reinhold; Goldobin, Edward; Koelle, Dieter & Lang, Wolfgang
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Angle-dependent Magnetoresistance of an Ordered Bose Glass of Vortices in YBa2Cu3O7-δ Thin Films with a Periodic Pinning Lattice. Condensed Matter, 8(2), 32.
Aichner, Bernd; Backmeister, Lucas; Karrer, Max; Wurster, Katja; Kleiner, Reinhold; Goldobin, Edward; Koelle, Dieter & Lang, Wolfgang
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Realization of YBa2Cu3O7-δ nanostructures with a focused Helium ion beam PhD thesis, Universität Tübingen (2024).
Max Karrer
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Structural changes in YBa2Cu3O7 thin films irradiated with focused He+ beam, ESRF report, Experiment number C-5713, July 2024. According to the ESRF data policy, after a 3- year embargo period, the report will be made public via the DOI landing page on the ESRF data portal. [the ESRF report is provided as an attachment to this report]
I. Zaluzhnyy, P. Zimmermann, F. Schreiber, R. Hutt, J. Ullmann, E. Goldobin, R. Kleiner & D. Koelle
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Temporal Evolution of Defects and Related Electric Properties in He-Irradiated YBa2Cu3O7−δ Thin Films. International Journal of Molecular Sciences, 25(14), 7877.
Keppert, Sandra; Aichner, Bernd; Rohringer, Philip; Bodea, Marius-Aurel; Müller, Benedikt; Karrer, Max; Kleiner, Reinhold; Goldobin, Edward; Koelle, Dieter; Pedarnig, Johannes D. & Lang, Wolfgang
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Vortex matching at 6 T in YBa₂Cu₃O7−δ thin films by imprinting a 20-nm periodic pinning array with a focused helium-ion beam. Physical Review Applied, 22(1).
Karrer, Max; Aichner, Bernd; Wurster, Katja; Magén, César; Schmid, Christoph; Hutt, Robin; Budinská, Barbora; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Kleiner, Reinhold; Lang, Wolfgang; Goldobin, Edward & Koelle, Dieter
