Superconductivity, Insulation and Metallicity in the Vicinity of the Superconductor-Insulator Transition in Ultra-Thin Granular Aluminum

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 April 2024
Referee:	Prof. Dr. Christoph Strunk
Date of exam:	21 December 2022
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Christoph Strunk
Keywords:	granular aluminum; ultra-thin disordered films; superconductor-insulator transition; niobium-silicon; anomalous metallic phase;
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	53970

Abstract (English)

In this thesis two (ultra-thin) granular aluminum films have been characterized for its electrical transport properties. Both samples had been tuned to a normal state sheet resistance close to the quantum resistance of Cooper pairs. Without magnetic field the temperature dependence of the resistance for both samples is consistent with the theory of a disorder-induced Superconductor-Insulator ...

Abstract (English)

In this thesis two (ultra-thin) granular aluminum films have been characterized for its electrical transport properties. Both samples had been tuned to a normal state sheet resistance close to the quantum resistance of Cooper pairs. Without magnetic field the temperature dependence of the resistance for both samples is consistent with the theory of a disorder-induced Superconductor-Insulator Transition (d-SIT). A magnetic field induced superconductor-insulator transition (B-SIT) has been found for the sample having a smaller normal state sheet resistance. Both samples show an anomalous metallic state. The lower resistance sample could be continuously tuned from a superconducting state, through the anomalous metallic state to a highly insulating state. The sample with a higher normal state resistance has been found to be in the anomalous metallic phase for B = 0T already. For higher magnetic fields a highly insulating phase has been found in both samples. Further inreasing the magnetic field leads to a destruction of this highly insulating phase.
In addition, another disordered superconducting material (niobium-silicon) has been investigated. Therefore two ultra-thin films have been exposed to an external magnetic field. Similarities to the previously mentioned anomalous metallic state in granular films have been found.

Translation of the abstract (German)

In dieser Dissertation wurden zwei ultra-dünne, granulare Aluminiumfilme auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht. Beide Proben wurden mit einem Quadratwiderstand (in der normalleitenden Phase) in der Nähe des Quantenwiderstandes für Cooper-Paare gewachsen. Ohne Magnetfeld zeigen beide Proben eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, welche konsistent ist mit der Theorie ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Dissertation wurden zwei ultra-dünne, granulare Aluminiumfilme auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht. Beide Proben wurden mit einem Quadratwiderstand (in der normalleitenden Phase) in der Nähe des Quantenwiderstandes für Cooper-Paare gewachsen. Ohne Magnetfeld zeigen beide Proben eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, welche konsistent ist mit der Theorie eines Supraleiter-Isolator-Überganges in Abhängigkeit der Probenunordnung (d-SIT). Für die Probe mit dem geringeren Widerstand wurde ein magnetfeld-induzierter SIT gefunden (B-SIT). Beide Proben zeigen Anzeichen eines anomalen metallischen Zustandes. Die Probe mit dem geringeren Widerstand konnte kontinuierlich aus der supraleitenden Phase, durch die anomale metallische Phase, in eine hohe Isolation gebracht werden. Die Probe mit dem höheren Widerstand war bereits ohne externes Magnetfeld im anomalen metallischen Zustand (B = 0T). Für höhere Magnetfelder zeigten beide Proben eine hoch insolierende Phase, welche für noch höhere Magnetfeld wieder zerstört werden konnte.
Zusätzlich wurde noch ein weiteres, ungeordnetes, supraleitendes Materialsystem (Niob-Silizium) untersucht. Dazu wurden zwei ultra-dünne Filme einem externen Magnetfeld ausgesetzt. Es wurden Ähnlichkeiten zur anomalen metallischen Phase in granularen Filmen gefunden.

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