Critical current in ferromagnet/superconductor hybrid structures

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-9459
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.12105

Meindl, Wilfried

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Date of publication of this fulltext: 28 Jan 2009 15:23

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Because of their property to only weakly break Cooper pairs, diluted ferromagnets allow the investigation of the interplay between superconductivity and ferromagnetism. In this thesis hybrid structures consisting of superconducing and weakly ferromagnetic layers were studied.
A method was established to fabricate films of the diluted ferromagnet palladium iron with varying concentration ratios by thermal evaporation. The thin films were characterized electrically and magnetically at low temperatures utilizing the anomalous Hall effect and SQUID measurements.
From these ferromagnetic films narrow stripes were fabricated and then covered by broader niobium stripes. The thereby obtained hybrid structures contained ferromagnet/superconductor bilayers surrounded by pure niobium layers. Both the palladium iron stripe and the niobium layer were contacted by several leads. The temperature dependent resistance showed the superconducting behavior of the niobium, the proximity effect in the palladium iron and also charge imbalance caused by injection of quasiparticles from the ferromagnet into the superconductor.
In a sweeping magnetic field, pronounced magnetoresistance oscillations were observed, which were identified as a superposition of several oscillations with different periods. Further explorations of this effect by measuring the differential resistance while rising the magnetic field in fixed steps for each consecutive current sweep, produced rich patterns in a color coded plot. By varying the contact configurations at the superconductor and the ferromagnet, the pattern changed considerably.
The link between the magnetoresistance oscillations and the differential resistance patterns was made by comparing their similar properties. It was also affirmed by a numerical simulation.
The cause for this effect can be found in the establishment of several different superimposed current paths in the sample. This leads to quantum interference and thereby to the characteristic fluctuations of the electrical parameters. The exact localization of the paths still remains to be clarified.

Translation of the abstract (German)

Aufgrund ihrer nur schwach paarbrechenden Wirkung erlauben verdünnte Ferromagnete die Erforschung des Zusammenspiels von Supraleitung und Ferromagnetismus.
In dieser Arbeit wurden aus supraleitenden und schwach ferromagnetischen Schichten bestehende Hybridstrukturen untersucht.
Zunächst wurde eine Methode entwickelt, Filme des verdünnten Ferromagneten Palladium-Eisen durch thermisches Verdampfen in verschiedenen Konzentrationsverhältnissen herzustellen. Die dünnen Schichten wurden bei tiefen Temperaturen mit Hilfe des anomalen Hall-Effekts und von SQUID-Messungen elektrisch und magnetisch charakterisiert.
Aus diesen ferromagnetischen Filmen wurden schmale Streifen präpariert, die dann mit breiteren Streifen aus Niob bedeckt wurden. Die dadurch erhaltenen Hybridstrukturen enthielten Ferromagnet/Supraleiter-Doppelschichten, die von Schichten nur aus Niob umgeben waren. Sowohl die Palladium-Eisen-Streifen, als auch die Niobschichten waren durch mehrere Zuführungen kontaktiert. Der temperaturabhängige Widerstand zeigte das supraleitende Verhalten des Niobs, den Proximityeffekt im Palladium-Eisen und ebenfalls Ladungsungleichgewicht, das durch die Injektion von Quasiteilchen aus dem Ferromagneten in den Supraleiter entsteht.
In einem sich verändernden Magnetfeld wurden ausgeprägte Magnetowiderstandsoszillationen beobachtet, die als Überlagerung verschiedener Oszillationen unterschiedlicher Periode bestimmt wurden. Messungen des differenziellen Widerstands, in denen das magnetische Feld in festen Schritten vor jedem Stromsweep erhöht wurde, erzeugten ein reiches Muster in der farbcodierten Auftragung. Durch Variation der Kontaktkonfigurationen am Supraleiter und dem Ferromagneten veränderte sich das Muster stark.
Die Verbindung zwischen den Magnetowiderstandsoszillationen und dem Muster im differenziellen Widerstand wurde hergestellt, indem ihre ähnlichen Eigenschaften verglichen wurden. Eine nummerische Simulation bestätigte den Zusammenhang.
Die Ursache für diesen Effekt liegt im Entstehen mehrerer verschiedener Strompfade in der Probe, die sich überlagern. Dies führt zu Quantenoszillationen und daher zu den charakteristischen Schwingungen der elektrischen Parameter. Die genaue Lokalisation dieser Pfade bleibt noch zu klären.

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