Interplay of Spin-Orbit Interaction and Two-Dimensional Superconductivity in Al/InAs Heterostructures

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-508199
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.50819

Fuchs, Lorenz

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 02 Nov 2022 08:38

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	2 November 2022
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christoph Strunk
Tag der Prüfung:	20 September 2021
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Christoph Strunk
Stichwörter / Keywords:	superconductivity, spin-orbit interaction, inductance, vortex, pinning, Rashba
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:	50819

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

In this work superconducting properties of Al/InAs heterostructures with strong spin-orbit coupling are investigated. The structure consists of 5.5 nm thick Al films epitaxially grown on an InGaAs/InAs/InGaAs 2DEG, which provides Rashba-type spin-orbit coupling. The films are characterized by standard DC transport measurements.
In the first part a RLC resonator technique operating in the low MHz regime for measuring small inductances of the order of some nH is presented. It is then used to measure the inductive response of long meanders etched into the material as a function of external parameters such as magnetic field, temperature or bias current. Small out-of-plane magnetic fields induce vortices in the system and lead to a strong inductive signal, which can be attributed to oscillatory motion of pinned vortices. In superconductors without spin-orbit coupling the vortex pinning strength decreases with either in- or out-of-plane field due to pair-breaking effects, that reduce the superfluid stiffness. In the case of the Al/InAs heterostructure, unexpectedly an additional in-plane magnetic field leads to an enhancement of the vortex pinning. The pinning enhancement strongly depends on the direction of the in-plane magnetic field with respect to the current direction. A theoretical model capturing the basic phenomenological findings is presented.
In the second part anisotropies of the DC transport properties are studied as a function of magnetic field. In straight wires etched in the Al/InAs, critical current measurements as well as second harmonic resistance measurements are performed. For in-plane magnetic fields perpendicular to the current direction, a pronounced second harmonic resistance signal is measured in the fluctuation and BKT regime of the heterostructure, which is due to the interplay of Rashba spin-orbit coupling and in-plane magnetic field. Unexpectedly also out-of-plane fields lead to a significant second harmonic resistance. At low temperatures, magnetic fields orthogonal to the current direction lead to a polarity-dependent critical current. In both critical current and second harmonic resistance measurements, complex symmetries with respect to combined in- and out-of-plane magnetic fields are found.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit werden die supraleitenden Eigenschaften von Al/InAs-Heterostrukturen mit starker Spin-Orbit-Kopplung untersucht. Die Struktur besteht aus 5,5 nm dicken Al-Filmen, die epitaktisch auf einem InGaAs/InAs/InGaAs 2DEG aufgewachsen sind, was eine Spin-Orbit-Kopplung vom Rashba-Typ ermöglicht. Die Filme werden durch Standard-DC-Transportmessungen charakterisiert.
Im ersten Teil wird eine RLC-Resonatortechnik vorgestellt, die im niedrigen MHz-Bereich arbeitet, um kleine Induktivitäten in der Größenordnung von einigen nH zu messen. Anschließend wird das induktive Verhalten langer, in das Material geätzter Mäander in Abhängigkeit von externen Parametern wie Magnetfeld, Temperatur oder Biasstrom gemessen. Kleine Magnetfelder senkrecht zur Probenebene induzieren Vortices im System und führen zu einem starken induktiven Signal, das auf die oszillierende Bewegung der gepinnten Vortices zurückgeführt werden kann. In Supraleitern ohne Spin-Bahn-Kopplung nimmt die Stärke des Fluxpinnings sowohl mit in-plane als auch out-of-plane Feldern aufgrund von Paarbrechung ab, welche die Steifigkeit des Suprafluids verringern. Im Fall der Al/InAs-Heterostruktur führt ein zusätzliches Magnetfeld in der Ebene zu einer Verstärkung des Vortex-Pinning. Die Verstärkung des Pinnings hängt stark von der Richtung des Magnetfelds in der Ebene in Bezug auf die Stromrichtung ab. Es wird ein theoretisches Modell vorgestellt, das die grundlegenden phänomenologischen Erkenntnisse erfasst.
Im zweiten Teil werden Anisotropien der Gleichstromtransporteigenschaften als Funktion des Magnetfeldes untersucht. In geraden Drähten, die in Al/InAs geätzt sind, werden Messungen des kritischen Stroms und der zweiten Harmonischen des Widerstands bei kleinen Frequenzen durchgeführt. Für Magnetfelder in der Ebene senkrecht zur Stromrichtung wird ein ausgeprägtes Widerstandssignal der zweiten Harmonischen im Fluktuations- und BKT-Bereich der Heterostruktur gemessen, das auf das Zusammenspiel von Rashba-Spin-Orbit-Kopplung und Magnetfeld in der Ebene zurückzuführen ist. Unerwarteterweise führen auch Felder senkrecht zur Ebene zu einem signifikanten Signal bei der doppelten Frequenz. Bei niedrigen Temperaturen führen Magnetfelder orthogonal zur Stromrichtung zu einem polaritätsabhängigen kritischen Strom. Sowohl bei den Messungen des kritischen Stroms als auch der zweiten Harmonischen des Widerstandes werden komplexe Symmetrien in Bezug auf kombinierte in- und out-of-plane Magnetfelder gefunden.

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