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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-4646
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10284
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) | ||||||
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Open Access Art: | Primärpublikation | ||||||
Datum: | 13 Februar 2005 | ||||||
Begutachter (Erstgutachter): | Christoph (Prof. Dr.) Strunk | ||||||
Tag der Prüfung: | 28 Januar 2005 | ||||||
Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Christoph Strunk | ||||||
Klassifikation: |
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Stichwörter / Keywords: | Supraleiter , Josephson-Kontakt , Josephson-Effekt , Proximity-Effekt , Strom-Phasen-Relation , Andreev Reflektion , SNS-Kontakt , Hall-Sensor , Hall-Magnetometrie , Current-phase-relation , Andreev reflection , SNS-junction , Hall-probe , Hall-magnetometry | ||||||
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik | ||||||
Status: | Veröffentlicht | ||||||
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet | ||||||
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja | ||||||
Dokumenten-ID: | 10284 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Im Jahr 1962 wurde von Brian Josephson ein Cooper-Paar Tunneleffekt theoretisch vorausgesagt, der zu einem spannungslosen Stromtransport über eine isolierende Barriere zwischen zwei Supraleitern führt. Der Suprastrom wird vom Phasengradienten der supraleitenden Wellenfunktion getrieben, welcher über der Tunnelbarriere entsteht. Für die Strom-Phasen-Relation (SPR) dieser schwach koppelnden ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Im Jahr 1962 wurde von Brian Josephson ein Cooper-Paar Tunneleffekt theoretisch vorausgesagt, der zu einem spannungslosen Stromtransport über eine isolierende Barriere zwischen zwei Supraleitern führt. Der Suprastrom wird vom Phasengradienten der supraleitenden Wellenfunktion getrieben, welcher über der Tunnelbarriere entsteht. Für die Strom-Phasen-Relation (SPR) dieser schwach koppelnden Cooper-Paar Tunnelkontakte sagte Josephson ein sinusförmiges Verhalten voraus.
Ein Josephson Kontakt kann auch durch eine normalleitende Barriere realisiert werden. Bei Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS) Kontakten ist der Suprastrom über die Schwachstelle jedoch nicht einem Tunneln von Cooper-Paaren
zuzuschreiben, sondern dem Proximity-Effekt.
Der mikroskopische Mechanismus, der zum Proximity-Effekt und damit zu einem Suprastromtransport über die normalleitende Schwachstelle führt, ist die sogenannte Andreev-Reflektion. Dieser Prozeß konvertiert ein Cooper-Paar, welches in den Normalleiter eindringt, in ein korreliertes Elektron-Loch Paar. Bleibt die Korrelation dieser Elektron-Loch Paare genügend lange erhalten, können kohärente multiple Andreev-Reflektionen (MAR) im Kontakt auftreten. Diese MAR-Prozesse führen in mesoskopischen SNS-Kontakten, bei sehr tiefen Temperaturen, zu höher harmonischen Beiträgen in der SPR, so daß kein sinusförmiges Verhalten mehr vorliegt.
Um die Auswirkungen der MAR-Prozesse auf die SPR in diffusiven SNS-Kontakten experimentell zu charakterisieren, wird eine geeignete Meßmethode benötigt, da in den üblichen Experimenten, die sich mit dem elektrischen Transport befassen, keine Aussage über die Form der SPR gemacht werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es eine Meßmethode, basierend auf Mikro-Hall-Sensoren zu entwickeln, um die SPR in mesoskopischen SNS-Kontakten experimentell zu charakterisieren.
Die SNS-Kontakte werden dazu in supraleitende Ringe eingebaut, die mittels Schattenverdampfungstechnik auf die 10 µm große aktive Fläche der Hall-Sensoren strukturiert werden. Die Hall-Sensoren werden aus einer GaAs/AlGaAs Heterostruktur gefertigt, welche 200 nm unter der Oberfläche ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet. Die Phasendifferenz der Kontakte kann dann durch einen externen magnetischen Fluß im Ring kontrolliert werden. Als Antwort auf die eingestellte Phasendifferenz durch den externen Fluß erzeugt das Josephson-Element im Ring einen zirkulierenden Strom, der seinerseits einen Fluß erzeugt. Durch Detektion dieses Flusses mit Hilfe des Hall-Sensors kann die Strom-Phasen-Beziehung gemessen werden.
In vorliegender Arbeit werden die Systeme AlAu, AlAg, AlCu und NbAg untersucht. Im Hochtemperatur Regime des Josephson-Effekts findet sich im Einklang mit der Theorie eine sinusförmige Strom-Phasen-Relation. Bei Temperaturen kleiner 1 K sind höher harmonische Komponenten in der SPR enthalten. Diese werden durch die großen kritischen Ströme der untersuchten Kontakte bei tiefen Temperaturen in Kombination mit einer inhomogenen Ortsauflösung der Hall-Sensoren hervorgerufen und überlagern die möglicherweise vorhandenen intrinsischen Beiträge höherer Ordnung. Letztendlich war es nicht möglich im Rahmen der Meßgenauigkeit einen eindeutigen Beweis für die intrinsischen höheren Harmonischen zu finden, welche durch die MAR-Prozesse hervorgerufen werden.
Durch Verringerung des maximalen kritischen Stroms der SNS Kontakte, könnte der Einfluß der inhomogenen örtlichen Auflösung der Sensoren soweit minimiert werden, daß es möglich wäre die intrinsischen höheren Harmonischen eindeutig zu detektieren. Dies könnte durch eine Verkleinerung der geometrischen Abmessungen des Normalmetalls erreicht werden, um den Normalwiderstand zu erhöhen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In 1962 Brian Josephson predicted a Cooper-pair tunnelling effect, leading to supercurrent transport across an insulating barrier between two superconductors. The supercurrent is driven by the phase gradient of the superconducting wave function, which arises across the barrier. Josephson predicted a sinusoidal current-phase-relation (CPR) for these weakly coupled Cooper-pair tunnelling ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In 1962 Brian Josephson predicted a Cooper-pair tunnelling effect, leading to supercurrent transport across an insulating barrier between two superconductors. The supercurrent is driven by the phase gradient of the superconducting wave function, which arises across the barrier. Josephson predicted a sinusoidal current-phase-relation (CPR) for these weakly coupled Cooper-pair tunnelling junctions.
A Josephson junction can also be realized by a normal conducting barrier. In these superconductor/normalconductor/superconductor (SNS) junctions, the supercurrent across the weak link is not due to a tunnelling current but to the proximity effect.
The microscopic mechanism which results in the proximity effect and therefore to a supercurrent across the normal conducting interface is the so called Andreev reflection. This process converts a Cooper-pair, which enters the normalconductor into a correlated electron-hole pair. If the electron-hole pairs remain correlated for a sufficiently long period of time, coherent multiple Andreev reflections (MAR) can take place in the normal metal. These MAR processes lead to the occurrence of higher harmonics in the CPR of mesoscopic contacts at very low temperatures and hence to a non-sinusoidal CPR.
In order to experimentally characterize the effects of MAR on the CPR in diffusive SNS contacts a suitable measurement method is needed, because in the usual experiments concerning the transport properties of the contacts no information about the CPR can be obtained. The aim of this thesis is to develop a measurement method based on micro-Hall probes, in order to measure the CPR of mesoscopic diffusive SNS contacts.
To achieve this the SNS junctions are built into superconducting loops, which are structured onto the 10 µm large active area of the Hall-probes by means of shadow evaporation. The Hall-probes are made of a GaAs/AlGaAs heterostructure, which develops a two-dimensional electron gas 200 nm below the surface. The phase gradient can then be controlled by applying an external magnetic flux to the loop. The response of the generated phase gradient is a circulating Josephson current in the loop, which also generates a magnetic flux. Through the detection of this flux by the Hall sensor the CPR can be measured.
In this thesis the systems AlAu, AlAg, AlCu and NbAg are examined. In the high temperature regime of the Josephson effect a sinusoidal CPR is found as the theory states. At temperatures below 1 K a non-sinusoidal CPR containing higher harmonics is found. These higher harmonic contributions result from the high critical currents of the SNS contacts at low temperatures in combination with a inhomogenous spatial resolution of the Hall probes. These superimpose the intrinsic higher harmonics, which may exist. In conclusion, it was not possible to find any evidence of intrinsic higher harmonic contributions to the CPR, which result from MAR, within the accuracy range of the measurement.
By reducing the maximum critical current of the SNS contacts, the influence of the inhomogeneous spatial resolution of the sensors could be reduced and the intrinsic higher harmonics could be detected unambiguously. This could be done by reducing the geometry of the normal metal in order to increase the normal resistance.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 13:22