Kryogenfreier Entmischungskryostat
Final Report Abstract
Einer der Forschungsschwerpunkte des Fachbereichs Physik der Universität Konstanz liegt auf dem Gebiet der Nanowissenschaften mit besonderer Bedeutung der Bereiche Nanoelektronik und Quantentransport. Der kryogenfreie Entmischungskryostat ist auf Grund des großen Probenvolumens und seiner hohen Flexibilität von großer Bedeutung für die Experimente zum Quantentransport bei sehr tiefen Temperaturen (~10 mK) und hohen Magnetfeldern bis 7T sowie unter Hochfrequenzeinfluss. Insbesondere benötigt dieser Kryostat keine Versorgung mit flüssigem Helium und keinen Anschluss an das Heliumrückführungssystem, was erstens die Wahl des Standorts vereinfacht und zweitens die Möglichkeit eröffnet, Experimente durchzuführen, wenn die Heliumversorgung wegen Wartungs- oder Umbauarbeiten oder Lieferengpässen längere Zeit unterbrochen werden muss. In den vergangen drei Jahren wurden zahlreiche Experimente zu unterschiedlichen physikalischen Fragestellungen der Nanoelektronik durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung von (Quanten-)Transportphänomenen, die auf niedrigen Energieskalen ablaufen, muss das Elektronengas bei sehr tiefen Temperaturen thermalisiert und die elektromagnetische Umgebung sehr gut abgeschirmt werden. Dafür haben wir nach Installation des Entmischungskryostaten ein neuartiges Filterkonzept entwickelt. Damit konnte zum Beispiel nachgewiesen werden, dass atomare Kontakte einiger Übergangsmetalle eine magnetische Ordnung aufweisen, die man im Volumen nicht beobachten kann. Mit Hilfe des kryogenfreien Entmischungskryostaten konnte dieser Ordnungszustand durch empfindliche Messungen, wie der Punktkontaktspektroskopie, eindeutig nachgewiesen und systematisch untersucht werden. Der große Vorteil dieses Systems im Vergleich zu konventionellen Kryostaten ist hier die lange Standzeit und hohe Stabilität, ohne dass Kühlmedien nachgeführt werden müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Baugröße den gleichzeitigen Betrieb mehrere unabhängiger Experimentierstationen zulässt. Neben atomaren Kontakten wurden fundamentale Eigenschaften von supraleitenden Nanostrukturen und Grenzflächeneffekte zwischen supraleitenden und normalleitenden, magnetischen Materialien untersucht. Gleichzeitig konnten wir zeigen, dass sich in Supraleiter-Ferromagnet-Hetero-Nanostrukturen neue Formen von Josephson-Kontakten herstellen lassen, die für funktionale Bauelemente im Bereich der Spinelektronik interessant sein können. Des Weiteren erlaubt dieser Kryostat eine exakte Stabilisierung der Temperatur bis auf Bruchteile eines Millikelvins bei einer vorgebbaren Temperatur zwischen ca. 20 mK und 2 K. Diese Eigenschaft ist Voraussetzung, um Magnetowiderstandsmessungen von supraleitenden Proben nahe der Sprungtemperatur durchzuführen, bei der der Widerstand bei kleinsten Temperaturänderungen stark variiert. In Netzwerken aus supraleitenden Schlaufen treten bei konstanter Temperatur periodische Oszillationen des Widerstands mit dem angelegten Magnetfeld auf, die Hinweise auf die Phasenkohärenz und besondere Quantisierungseigenschaften des magnetischen Flusses geben. Zu dieser Thematik haben wir systematische Untersuchungen angestellt, die zuvor in anderen Apparaturen nur unzureichend durchgeführt werden konnten. Wir haben dadurch Hinweise auf eine schon längere Zeit vorhergesagte Änderung der Periodizität in sehr kleinen Ringen finden können.
Publications
- Magnetism in Pd: Magneto-conductance and transport spectroscopy of atomic contacts, Physical Review B 94 (2016) 144431
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(See online at https://doi.org/10.1063/1.4995076) - Coulomb Blockade and Multiple Andreev Reflection in a Superconducting Single-Electron Transistor, Journal of Low Temperature Physics 191 (2018) 301
T. Lorenz, S. Sprenger, E. Scheer
(See online at https://doi.org/10.1007/s10909-017-1837-4) - Flux -periodicity crossover from h/2e to h/e in aluminium nano-loops, Journal of Physics: Conf. Series 969 (2018) 012063
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(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/969/1/012063)
