Abbildung, Manipulation und Flussrauschen einzelner Abrikosov-Vortices in YBa2Cu3O7-delta dc SQUIDs

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit der Abbildung und Untersuchung von einzelnen Abrikosov-Flussquanten in dc Korngrenzen-SQUIDs1 aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7-delta.

Für die Messungen wurde die Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (TTREM) verwendet, welche eine lokale, ortsaufgelöste Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Materialien bei tiefen Temperaturen ermöglicht. Der Vorteil gegenüber anderen Flussquanten-Abbildungsverfahren ist die Möglichkeit, dabei das niederfrequente Flussrauschen im SQUID zu bestimmen. Es wurden spezielle SQUID-Designs entworfen, welche ein reproduzierbares Einkühlen von einzelnen Flussquanten erlauben. Zur Vorcharakterisierung der SQUIDs wurden elektrische Transport- und Rauschmessungen durchgeführt.

Im Rahmen der Arbeit wurden erstmals Antivortices mit dem TTREM abgebildet. Die Möglichkeiten einer Manipulation von Flussquanten (mit dem Elektronenstrahl) wurden untersucht und aufgezeigt.

Durch die gemittelte Messung des Signalverlaufs über einen einzelnen Vortex, konnten Linescans mit bisher nicht erreichter Auflösung gewonnen werden. Dies ermöglichte den ausstehenden Vergleich der gemessenen, virtuellen Vortex-Verschiebung mit verschiedenen, theoretisch bestimmten Signalverläufen.

Die Versuche zum Flussrauschen lieferten neue Einblicke in das Rauschverhalten einzelner Flussquanten, welche das für einzelne Fluktuatoren typische Random Telegraph Signal aufweisen, und erlaubten die Analyse der zugehörigen Hüpfprozesse. So konnten konkrete Werte für die spektrale Rauschleistungsdichte Sr = 196 nm2/Wurzel(Hz) - 0,28 µm2/Wurzel(Hz) radial zum SQUID-Loch von unterschiedlichen, gepinnten Flussquanten bestimmt werden. Eine Beeinflussung des Hüpfverhaltens und damit des Flussrauschens gelang durch Variation eines angelegten Magnetfeldes. Durch Verkippung des Potenzialverlaufs eines Vortex konnte mittels stochastischer Analyse der Zeitspurdaten der Verlauf des Pinningpotenzials bei unterschiedlichen Hüpfvorgängen rekonstruiert werden.

Mit der Arbeit konnte überzeugend gezeigt werden, dass das Vortex-Abbildungsverfahren des TTREM in Verbindung mit Rausch- und Zeitspurmessungen ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung von einzelnen Flussquanten darstellt.

1 SQUID: Superconducting QUantum Interference Device (Supraleitendes Quanteninterferometer)

The thesis deals with the imaging and investigation of single Abrikosov vortices in grain boundary dc SQUIDs1 from the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-delta.

The low temperature scanning electron microscopy (LTSEM) was used for the measurements, which makes a local, spatially resolved investigation of the electrical properties of materials at low temperatures possible. The advantage over other flux quantum imaging methods is the facility to determine the low-frequency flux noise in the SQUID in the process. Special SQUID designs were created, which allow a reproducible cooling of single flux quanta. Electrical transport and noise measurements were carried out to precharacterise the SQUIDs.

Within the scope of the thesis it was the first time that antivortices were imaged with the LTSEM. The possibilities of a manipulation of flux quanta (with the electron beam) were investigated and illustrated.

By the averaged measurement of the waveform of a single vortex, linescans with unprecedented resolution could be obtained. This allowed the outstanding comparison of the measured, virtual vortex displacement with various theoretically determined waveforms.

The experiments to flux noise provided new insights into the noise behaviour of single flux quanta, which exhibit the typical single fluctuators random telegraph signal, and enabled the analysis of the associated hopping processes. Thus concrete values of the spectral noise power density Sr = 196 nm2/root(Hz) - 0,28 µm2/root(Hz) radially to the SQUID hole could be determined by different, pinned vortices. An influence of the hopping behaviour and therefore of the flux noise succeeded by varying an applied magnetic field. Through tilting the potential course of a vortex, the course of the pinning potential by different hopping processes could be reconstructed using stochastic analysis of the time trace data.

With the thesis could be shown convincingly that the vortex imaging method of the LTSEM in conjunction with noise and time trace measurements represents a suitable method for the examination of single flux quanta.

1 SQUID: Superconducting QUantum Interference Device