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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-8697
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10680
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation | ||||||||
| Datum: | 8 April 2008 | ||||||||
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Christoph Strunk | ||||||||
| Tag der Prüfung: | 30 August 2007 | ||||||||
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Christoph Strunk | ||||||||
| Klassifikation: |
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| Stichwörter / Keywords: | Supraleitung , Halbleiter-Supraleiter-Kontakt , Josephson-Kontakt , Josephson-Effekt , Proximity-Effekt , Kritischer Strom , Andreev-Reflexion , Vielfach-Andreev-Reflexion , Exzessstrom , superconductor-seminconductor-junction , Josephson effect , Josephson junction , proximity effect , Andreev reflection | ||||||||
| 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: | 10680 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Gegenstand der vorliegenden Promotionsschrift ist die experimentelle Untersuchung von planaren Josephson-Kontakten basierend auf Nb/InAs-Hybridstrukturen. Bringt man ein zweidimensionales Elektronengas in einer Halbleiter-Heterostruktur in guten metallischen Kontakt mit einem Supraleiter, ist es möglich, ballistische Proximity-Systeme zu studieren. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Gegenstand der vorliegenden Promotionsschrift ist die experimentelle
Untersuchung von planaren Josephson-Kontakten basierend auf
Nb/InAs-Hybridstrukturen.
Bringt man ein zweidimensionales Elektronengas in einer
Halbleiter-Heterostruktur in guten metallischen Kontakt mit einem
Supraleiter, ist es möglich, ballistische Proximity-Systeme zu
studieren.
Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Experimente wurden an
Proben mit unterschiedlicher Breite der Josephson-Kontakte (zwischen
500 nm und 2000 nm) durchgeführt, die mittels verschiedener Methoden der
Halbleitertechnologie hergestellt wurden. Die Länge der
Josephson-Kontakte betrug etwa 600 nm, und als Supraleiter wurde Niob
verwendet. Ein durch den Josephson-Kontakt fließender Suprastrom hat
eine maximale Stromdichte in der Größenordnung von 1 A/m. Es werden
sowohl der kritische Strom als auch die Eigenschaften im resistiven
Bereich (Exzessstrom und Vielfach-Andreev-Reflexion) als Funktion der
Temperatur und eines äußeren Magnetfeldes untersucht. Dabei werden
Messungen in Feldern, die sowohl senkrecht als auch parallel zur Ebene
des zweidimensionalen Elektronengases orientiert sind, vorgestellt.
Die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stromes kann mit Hilfe eines
Modells, basierend auf dem Streumatrix-Formalismus für lange
Josephson-Kontakte, beschrieben werden, wobei die den Suprastrom
bestimmende Andreev-Reflexionsamplitude mit Hilfe der Green'schen
Funktionen des durch den Proximity-Effekt modifizierten
zweidimensionalen Elektronengases unterhalb des Supraleiters berechnet
wird. Aus der Anpassung des Modells an die Messdaten kann die
Transparenz der Grenzflächen zwischen dem Supraleiter und dem
zweidimensionalen Elektronengas auf etwa 0.1 abgeschätzt
werden. Unabhängig davon ist es möglich, die Transparenz der
Punktkontakte im zweidimensionalen Elektronengas aus der
Breitenabhängigkeit des Normalwiderstandes (T=10 K) als etwa 0.8 zu
bestimmen.
Die Messungen des kritischen Stromes im Magnetfeld senkrecht zum
zweidimensionalen Elektronengas zeigen ein Fraunhofer-Muster. Um den
Übergang von dieser senkrechten Einstellung in die parallele
Einstellung studieren zu können, wurden Messungen des kritischen
Stromes als Funktion des Magnetfeldes bei verschiedenen Winkeln
durchgeführt. An diesen Messungen kann der Übergang von einem durch
ein gestrecktes Fraunhofer-Muster dominierten Verhalten zu einer
monotonen Abnahme des kritischen Stromes bei endlichen Feldern im
parallelen Feld beobachtet werden. Da der kritische
Strom unterhalb von 0.5 T null wird, kann diese Abnahme nicht durch
die Unterdrückung der Supraleitung im Niob erklärt werden. Teilweise
können diese Messungen mit einem Modell beschrieben werden, das den
Einfluss der durch das Magnetfeld induzierten Abschirmströme in den
Niobstrukturen auf den Proximity-Effekt im zweidimensionalen
Elektronengas und damit auf den kritischen Strom beschreibt.
Im resistiven Bereich zeigen die Messungen des Exzessstromes im
Magnetfeld ein sehr interessantes Verhalten. Im parallelen
Feld wird der Exzessstrom erst bei ca. 2.5 T unterdrückt und kann
damit zumindest teilweise auf die Unterdrückung der Supraleitung im
Niob zurückgeführt werden. Im senkrechten Feld jedoch wird der
Exzessstrom im Bereich von etwa 30 mT sehr stark unterdrückt. Unter der
Annahme, dass auch der Exzessstrom, der ebenso wie der Suprastrom
seine Ursache in der Andreev-Reflexion hat, durch den
Proximity-Effekt im zweidimensionalen Elektronengas beeinflusst wird,
liegt die Vermutung nahe, dass auch im senkrechten Feld Abschirmströme
eine wichtige Rolle spielen. Da der kritische Strom im senkrechten
Feld von dem Fraunhofer-Muster mit einer Periode von etwa 3 mT
dominiert wird, kann allerdings diese Vermutung nicht anhand der
Messungen des kritischen Stromes überprüft werden.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
The thesis in hand investigates experimentally Josephson contacts based on Nb/InAs-hybrid structures. If a two-dimensional electron gas in a semiconductor heterostructure is brought in good metallic contact with a superconductor, it is possible to study ballistic proximity systems. The experiments discussed here were done on samples of different width of the Josephson contacts (between 500 ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
The thesis in hand investigates experimentally Josephson contacts
based on Nb/InAs-hybrid structures. If a two-dimensional electron gas
in a semiconductor heterostructure is brought in good metallic contact
with a superconductor, it is possible to study ballistic proximity systems.
The experiments discussed here were done on
samples of different width of the Josephson contacts (between 500 nm
and 2000 nm). They were realized by means of different methods of the
semiconductor technology. The length of the Josephson contacts was
about 600 nm and, as superconducting material, niobium was used. The maximum
supercurrent density that the Josephson juction can support is of the
order of 1 A/m. Both critical current and characteristics in the
resistive regime (excess-current and multiple Andreev reflection) are
studied as a function of temperature and external magnetic
fields. Measurements in perpendicular and parallel magnetic fields
with respect to the plain of the two-dimensional electron gas, are
presented.
The temperature dependence of the critical current can be described by
means of a model based on the scattering-matrix formalism for
long Josephson junctions. The Andreev reflection amplitude
determing the supercurrent is calculated by means of the Greens
functions of the two-dimensional electron gas beneath the
superconductors which is modified by the proximity effect.
From the fit to the data with this model, the transparency of the
boundary between the superconductor and the two-dimensional electron
gas can be estimated to be about 0.1.
The transparency of the point contacts in the two-dimensional electrons
gas can be determined independently from the Josephson junction width
dependence of the normal resistance (T=10 K). This transparency
amounts to about 0.8 in the examined samples.
The measurements of the critical current in a magnetic field
perpendicular to the two-dimensional electron gas show a Fraunhofer
pattern. In order to study the transition from perpendicular orientation into
parallel orientation, measurements of the critical current as a
function of the magnetic field were done for different angles. A
transition can be observed from a behavior dominated by a stretched
Fraunhofer pattern, in perpendicular orientation, to a monotonous
decrease of the critical current at finite fields, in parallel
orientation. Since the critical current becomes zero below 0.5 T, this
decrease can not be explained by the suppression of superconductivity
within the niobium structures. These measurements
can be partially described by a model that takes into account the
influence of screening currents, which are induced by the magnetic
field in the niobium structures, on the proximity effect in the
two-dimensional electron gas and thus on the critical current.
In the resistive regime, the excess current measurements in the
magnetic field show a very interesting behaviour: In parallel
magnetic fields, the excess current becomes zero at about 2.5 T. In
this case the decrease of the excess current can be, at least
partially, deduced from the suppression of superconductivity in
the niobium. In perpendicular magnetic field however, the excess
current is strongly suppressed below 30 mT. Assuming that the excess
current, which originates, just like the supercurrent, from
Andreev reflection, is influenced by the proximity effect in the
two-dimensional electron gas, one might conclude that screening
currents play an important roll also in perpendicular magnetic
fields. Because the critical current in perpendicular magnetic
field is dominated by the Fraunhofer pattern, with a period of approximately
3 mT, this presumption could not be verified on the measurements of the
critical current.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 12:36
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