Arbeitsgruppe Neue Materialien, Transport, Thermodynamik und Mesoskopie

Fe-basierte Supraleiter

Supraleitung tritt in Fe-basierten Verbindungen stets im Umfeld eines magnetischen/strukturellen Phasenübergangs auf, was die Vermutung nahelegt, dass magnetische/strukturelle Fluktuationen für die Cooperpaar-Bildung von großer Wichtigkeit sind. Die nematische Suszeptibilität, d.h. die Suszeptibilität der elektronischen Ordnung, die auf die strukturelle Umwandlung hinwirkt, kann als gutes Maß für solche Fluktuationen angesehen werden. Als experimenteller Zugang zu dieser physikalischen Größe in Ba_1-xK_xFe₂As₂ und Ba(Fe_1-xCo_x)₂As₂ wurde eine neue Experimentiertechnik entwickelt, bei der der Schermodul mittels einer Drei-Punkt-Biege-Apparatur in einem Kapazitätsdilatometer gemessen wird. Obwohl die nematischen Fluktuationen durch die Substitution von Ba durch K bzw. von Fe durch Co abgeschwächt werden, erstrecken sie sich doch in beiden Materialsystemen über den gesamten Phasenbereich der Supraleitung, was einen direkten Zusammenhang zwischen nematischen Fluktuationen und Supraleitung nahelegt. Evidenz für quantenkritisches Verhalten der nematischen Suszeptibilität findet sich überraschenderweise jedoch nur für das elektronendotierte Ba(Fe_1-xCo_x)₂As₂, das System mit den niedrigeren maximalen T_c-Werten. Des Weiteren wurde eine Skalenrelation zwischen Magnetische-Kernresonanz- (NMR) und Schermodul-Daten in der tetragonalen Phase der elektronendotierten Ba(Fe_1-xCo_x)₂As₂-Verbindung gefunden, die nahelegt, dass der strukturelle Phasenübergang hier magnetisch hervorgerufen wird.

Nematische Suszeptibilität von Loch- und Elektron-dotierten BaFe2As2-Supraleitern als Funktion der Substitutionskonzentration und der Temperatur.

Schwer-Fermion-Verbindungen

Magnetische Phasenübergänge, die durch einen nichtthermischen Kontrollparameter kontinuierlich auf eine Übergangstemperatur T=0 getrieben werden können, definieren hierdurch einen quantenkritischen Punkt (QCP). Die Anregungen, die sich nahe an einem QCP messen lassen, z.B. durch die spezifische Wärme, folgen nicht den Vorhersagen der Fermi-Flüssigkeits-Theorie. Weiterhin treten in der Nähe eines QCP oft neue Phasen auf. Das Schwerfermionen-System CeCoIn₅ gehört zu der wachsenden Familie von Verbindungen, bei denen unkonventionelle Supraleitung in unmittelbarer Nachbarschaft zu antiferromagnetischer Ordnung auftritt. Die Lokalisierung der genauen Position des QCP im Phasenraum gestaltet sich jedoch durch das überlagernde Auftreten von Supraleitung schwierig. Unsere Messungen der thermischen Ausdehnung und der Magnetostriktion an CeCoIn₅-Einkristallen deuten darauf hin, dass die deutlichen Abweichungen vom Fermi-Flüssigkeits-Verhalten durch eine quantenkritische Linie, d.h. eine antiferromagnetische Phasengrenze in der Magnetfeld/Druck-Phasenebene bei T=0 verursacht wird, die durch die Supraleitung abgeschirmt wird. Auf der Basis der Druck- und Dotierungs-abhängigen Messdaten konnten wir ein dreidimensionales Phasendiagramm mit einer solchen Phasengrenze aufstellen.

(p,B,T)-Phasendiagramm von CeCoIn5 (AF: Antiferromagnetische Phase, SC: Supraleitende Phase, QC: Quantenkritische Linie in der (B,p)-Ebene bei T=0, die bei kleinen Magnetfeldern wegen des Eintretens der Supraleitung nicht beobachtet werden kann).

Elektronischer Transport in nomalleitenden und supraleitenden Nanostrukturen
(R. Schäfer)

Wir stellen Einzelladungsschaltungen her und untersuchen diese im nomalleitenden und supraleitenden Zustand bei Messtemperaturen bis herab zu < 10 mK. Supraleitende Tunnelkontakte (Josephson-Kontakte) führen einen Suprastrom, wenn die Phase der makroskopischen Wellenfunktion des supraleitenden Zustands zu beiden Seiten des Kontakts geeignet justiert wird. Da eine solche Festlegung der Phase aufgrund der Quantenmechanik eine Festlegung der Ladung ausschließt, ergibt sich bei mesoskopischen Josephson-Kontakt-Schaltungen ein komplexes Transportverhalten, das wir im Detail untersuchen.

Elektronenmikroskopie-Aufnahmen einer aus Aluminium-Inseln aufgebauten Kette von Josephson-Kontakten. Die eigentlichen Josephson-Kontakte bilden sich im

Strom durch eine solche Kette von 256 mesoskopischen Josephson-Kontakten bei 0.01 K als Funktion der Spannung und des Magnetfelds.

Kristallzüchtung (A.-A. Haghighirad)

In unserem Labor können ein- und polykristallien Proben hergestellt werden. Einkristalle werden hauptsächlich aus der Schmelze oder dem Fluss, aber auch aus der Dampfphase hergestellt. Die Wachstumsparameter werden dabei gemäß einer detaillierten Charakterisierung der Zusammensetzung und der Kristallgüte optimiert. Hierbei lassen sich auch Kristalle mit einer wohldefinierten Dotierung mit Verunreinigungen herstellen.

Für die Probenpräparation werden Kammeröfen, von oben beladbare und röhrenförmige Öfen verwendet, die bei Temperaturen bis zu 1800 °C betrieben werden können. Außerdem stehen Czochralski-, 3-Zonen-, Induktions-, Lichtbogenschmelz-, Spiegel- und Autoklav-Öfen zur Verfügung.

Supraleitende und verwandte Materialien:
TiN, ZrN, HfN, TiC, YBa₂Cu₃O_x-family (La-Lu), BaCuO₂, Ba₂CuO₃, CuO, (Nd_1-xCe_x)₂CuO₄, (Gd_1-xNd_x)₂CuO₄, BaFe₂As₂, SrFe₂As₂, CaFe₂As₂, KFe₂As₂, RbFe₂As₂, CsFe₂As₂, K_xFe₂Se₂, FeAs, FeSe, FeTe, FeTe₂, FeI₂, MgB₂, AlB₂, (Ca/Sr)CuO₂, Ca(Al_0.5Si_0.5)₂, NbSe₂.
Quantenkritische Materialien:
YbNiSi₃, YbNiGe₃, YbPdSn, LaCu₆, CeCu_6-xAu_x,YbB₂, YbB₄, YbAlB₄, CrB₂, Cr₂B₃, CrAlB₄.
Magnetische und andere Materialien:
BaNi₂V₂O₈, BaNi_2-xMg_xV₂O₈, Ni₃V₂O₈, Co₃V₂O₈, MnSi (Al, Co, Fe), Ba₂V₃O₉, Ba₂V₂O₇, Ba₃V₄O₁₃, Cs₂CuCl₄, Ti₄O₇, Zn₄Sb₃, YBaCo₄O₇, La₂Mo₂O₉, Co₃TeO₆.

Verschiedene Einkristalle und Ta2NiS5-Dendriten

Links: Hybrid-inorganisch-organische Perovskit-Kristalle MAPbX3 (X = Cl,Br,I) Rechts: Cu2OSeO3-Kristall