Supraleitung in Cer-basierten Schwere-Fermionen-Supraleitern am Beispiel des Systems CeCoIn5

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Huth
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5452902

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die intermetallische Schwere-Fermion-Verbindung CeCoIn 5 weist einen unkonventionellen supraleitenden Grundzustand auf mit einer kritischen Temperatur von 2,3 K. Es wird vermutet, dass die Nähe zu einem quantenkritischen Punkt, d.h. die Nähe zu einem durch Quantenfuktuationen getriebenen Phasenübergang, ursächlich ist für die Supraleitung und dass diese durch magnetische Anregungen verursacht wird. Ein sehr direkter Weg zur Messung der elektronischen Zustandsdichte in der supraleitenden Phase bietet die Methode der Tunnelspektroskopie. Informationen über die Symmetrie des Ordnungsparameters können durch Quanteninterferenzmessungen in der supraleitenden Phase gewonnen werden. Derartige Messungen basieren in der Regel auf dem Josephson-Effekt, also der direkten Cooper-Paar- Kopplung über eine transparente Tunnelbarriere oder einen Bereich geschwächter Supraleitung („weak link“) zwischen zwei Supraleitern. In diesem Projekt wurde das Wachstum von CeCoIn5-Dünnschichten untersucht und versucht, Kontakte für die Tunnelspektroskopie zu präparieren. Die Dünnschichtpräparation von ternären intermetallischen Verbindungen, insbesondere aus der Klasse der Schwere-Fermion-Systeme, ist äußert schwierig aufgrund der hohen chemischen Reaktivität der Selten-Erd-Komponente und der empfindlichen Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von Defekten. Es ist dennoch gelungen hochgradig c-Achsen-texturierte Schichten von CeCoIn 5 mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie zu erhalten. Aufgrund der durch den hohen In-Anteil verursachten starken Tendenz der Schichten, isolierende Substrate – wie Al 2O3 – zu entnetzen, erwiesen sich Standardverfahren zur Tunnelkontaktpräparation als ungeeignet. Im Projektverlauf wurde deshalb ein Verfahren entwickelt, um einzelne Wachstumsdomänen der Dünnschichten mit wenigen Mikrometern lateraler Abmessung elektrisch zu kontaktieren und schließlich auch Josephson- Kontakstrukturen vom „weak link“-Typ zu präparieren. Dabei kamen Methoden des Ätzens mit fokussierten Ga-Ionen (FIB), sowie der direkten Abscheidung von Leiterstrukturen mittels ionenoder elektronenstrahlinduzierter Abscheidung aus einem metallorganischen Precursorgas, W(CO)6, zum Einsatz. An ringförmigen „weak-link“-Strukturen (SQUID-Strukturen) konnten die charakteristischen Signaturen des Josephson-Effektes, wie die sogenannten SQUID-Oszillationen im äußeren Magnetfeld, nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse legen eine Reihe von Folgeuntersuchungen nahe, mit denen sich unter Verwendung von „weak link“-Strukturen die Symmetrie des Ordnungsparameters von CeCoIn5 sehr direkt bestimmen lassen sollten. Auch sollte aufgrund der anomal großen elektronischen freien Weglänge in dieser Verbindung Messungen von Quanteninterferenzeffekten in der normalleitenden Phase an Sub-Mikrometerstrukturen möglich sein.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Growth of CeCoIn5 thin films on a- and r-Al2O3 substrates, J. Phys.: Cond. Matt. 19, 56006 (2007)
  
O. K. Soroka, G. Blendin, M. Huth
  
• Morphological variability of CeIn3 thin films grown by molecular beam epitaxy, J. Phys.: Conf. Ser. 150, 052057 (2009)
  O. B. Foyevtsov, M. Huth
  
• Transport measurements on microcrystals of oriented CeIn 3 and CeCoIn5 thin films, Thin Solid Films 518, 7064 (2010)
  O. Foyevtsov, H. Reith, M. Huth
  
• Quantum interferometry on microcrystals of CeCoIn 5, Phys. Rev. B 84, 045103 (2011)
  O. Foyevtsov, F. Porrati, M. Huth