Effects of Nb2O5 addition on the formation and properties of the Bi-based superconductors were studied. The superconducting samples were synthesized by two different methods, the solid state reaction (SSR) and ammonium nitrate melt route (ANM) to obtain information about the growth techniques. Ten samples (five with each method) with the chemical compositions of Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3NbxOy, with x= 0.00, 0.05, 0.10, 0.20, and 0.30 were prepared. Phase identification, structural and microstructural analysis were carried out using powder X-ray diffraction method, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray (EDX) analysis. The transition temperature and the critical current measurements were carried out using the electromagnetic measurement system. The critical parameters of the samples were also determined by AC susceptibility and magnetization measurements. Improvements in the formation of the Bi-2223 phase with Nb addition have been observed by both methods. The ANM method leads mixtures of Bi-2223 and Bi-2212 phases, but with the SSR method pure Bi-2223 phase was obtained. With small amounts of Nb addition the critical temperature, Tc, remains the same for ANM samples and it increases for the SSR samples. For both series of samples Tc decreases with further increase of Nb content. With Nb addition the critical currents of the ANM sample almost remain the same and those of the SSR samples increases. Observations based on AC susceptibility measurements showed that Nb addition improve inter-grain coupling. Inductive critical current densities obtained from magnetization measurements agree with the critical currents stated above and show that Jc increase with increase Nb content.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung der Kernmagnetresonanz (NMR) unter extremen Drücken bis 101 kbar. Es wird gezeigt, dass die Empfindlichkeit von NMR Experimenten unter hohen Drücken in Diamantstempel- und ähnlichen Hochdruckzellen im Vergleich zu früheren experimentellen Versuchsanordnungen durch Verwendung von Mikrospulen um mehrere Größenordnungen verbessert werden kann. Die neue Versuchsanordnung wird dann zum einen bei der Untersuchung der Druckabhängigkeit elektronischer Eigenschaften von metallischem Aluminium bis 101 kbar verwendet. Zum anderen wird damit der Pseudogap des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu4O8 bei Drücken bis zu 63 kbar untersucht.

We report a systematic investigation of the local electronic, magnetic, and superconducting properties of the new iron-based high temperature superconductor Ba(Fe(1-x)Co(x)As(2) (x = 0, 0.02 , 0.04, 0.082) through the measurement of 75As and 59Co NMR (Nuclear Magnetic Resonance) lineshapes, Knight shift (K), and spinlattice relaxation rate ( 1/ T1) . The 75As NMR lineshape of the undoped parent compound splits into two sets due to discrete values of hyperfine magnetic field B(c)(hf)= ±1.32 Tesla below the magnetic ordering temperature to the SDW (Spin Density Wave) state, TSDW. In contrast, for lightly Co doped samples with x=0.02 and 0.04, the 75As and 59Co lineshapes become broad and featureless below Tsnw , indicating that the ground state is no longer the commensurate SDW ordered state. The observed lineshape is consistent with an incommensurate SDW ordered state, or a commensurate state with large distribution of hyperfine field Bhf. In the optimally doped superconductor with x = 0.082 (Tc = 22 K) , we observe two types of As sites and three types of Co sites, respectively, as expected from a binomial distribution of Co dopants. We found no evidence for induced localized moments in the vicinity of Co dopants. This finding is in remarkable contrast with the case of Zn or Ni doped high Tc cuprates, and suggests that the fundamental physics of iron-based superconductors is different from that of cu prates. The temperature dependences of 75,59K and 75,59 (1/T1T) at both 75As and 59Co sites show that Ba(Fe(1-x)Co(x))(2)As(2) exhibits spin pseudo-gap like behavior down to ~100 K for a broad Co concentration range. Below ~100 K , we observe the enhancement of residual antiferromagnetic spin fluctuations associated with inter-band spin excitations between the hole and electron Fermi surfaces even for x= 0.082. This effect is suppressed in the overdoped sample with x= 0.099, and Tc decreases. Therefore, we suggest that antiferromagnetic spin fluctuations play a crucial role in the superconducting mechanism of Ba(Fe(1-x)Co(x))(2)As(2) . We also demonstrate that the superconductivity arises from a novel electronic state with spin susceptibility Xs ~ constant and in-plane resistivity P(ab)~T, which is not consistent with canonical Fermi-liquid behavior. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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Diese experimentelle Arbeit beschäftigt sich mit Einkristallen der Bi Kuprate. Mittels Rastertunnelmikroskopie und der Beugung langsamer Elektronen wurde die strukturellen Eigenschaften untersucht. Es wurde ein bestehendes pseudobinäres Blei-Temperatur Phasendiagram erweitert. Mittels der Charakterisierungsresultate der energiedispersive Röntgenspektroskopie und der AC-Suszeptibilität wurde gezeigt, dass an bestimmten Lochdotierungen die Sprungtemperatur unterdrückt ist. Diese Tatsache wird für zwei Variationen des Bi2201 Kuprat-Systems bewiesen - durch Literaturdaten auch für LSCO. Desweiteren wurde argumentiert, dass die sogenannte Checkerboard-Ordnung nicht eine Ordnung der elektronischen Struktur ist. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass Sie durch Dotanten-Atome verursacht wird. Dabei könnte der zusätzlichen Sauerstoff eine Bedeutung haben. Die Pseudolücken-Phase wurde mittels winkelaufgelöster Photoemission (ARPES) sowie Widerstandsmessungen untersucht. Durch ARPES konnte gezeigt werden, dass die Lücke in der antinodalen Richtung keinen grossen Anteil einer Supraleitungslücke aufweist, sondern mehr von der Pseudolückenphase bestimmt ist. Es wurde festgestellt, dass in der winkelaufgelösten Photoemission nur eine Übergangstemperatur sichtbar war, während bei den Widerstandsmessungen zwei Übergangstemperaturen sichtbar waren. Zudem wurde gezeigt, dass die Pseudolückenphase auch auf der überdotierten Seite existiert. Ein ganz und gar neues Ergebnis ist der dotierungsabhängige Verlauf der Pseudolücken-Temperatur und der in ARPES gemessenen Pseudolücke. Es zeigte sich dort zweifelsfrei, dass die Pseudolücken-Eigenschaften an genau denselben Dotierungen starke Änderungen aufweisen, an denen auch die Sprungtemperatur unterdrückt ist. Deshalb wurde propagiert, dass die Supraleitung durch Paarung von Defektlöchern in einem ansonsten magnetisch- und ladungs-hochgeordnetem Elektronensystem entsteht. / This thesis deals with the experimental exploration of the high-temperature superconducting Bi-cuprate system and mainly with single crystals of the one-layer Bi2201. To begin, the structural change resulting from Pb substitution was explored by using topological scanning tunneling microscopy (STM) and low-energy electron diffraction (LEED). The resulting morphologies were explained in a pseudo-binary phase-diagram. Using energy dispersive x-ray analysis and AC-susceptibility, it was proven that, for two variations of Bi2201 and also for LSCO, the superconducting transition temperature (TC) always drops at the same hole-doping values - an effect that might be explained by the so-called ''magic doping fractions''. By analyzing STM-data, it was reasonably argued that the so-called ''checkerboard order'' is not preferentially due to an ordering of the carriers in the Copper-Oxygen-plane. In the interpretation presented here, it is caused by dopant-atoms or dopant-complexes. The role of the Oxygen might be of particular importance. Measurements concerning the pseudogap-phase were then shown. Using angular resolved photoemission (ARPES), it was found that the gap in the antinodal direction is dominantly caused by the pseudogap-phase. Interestingly, while resistivity measurements detect two crossover temperatures, ARPES detects only the lower pseudogap-temperature. It can also be stated that the pseudogap also exists in the overdoped region. The most important finding about the pseudogap-temperature and the pseudogap-magnitude was that they also react on the doping values of the depressions in TC. Due to this finding, it was proposed that superconductivity occurs when an otherwise perfect charge-ordered and spin-ordered two-dimensional electronic system has mobile defective holes.

科学研究費補助金 研究種目:試験研究(B) 課題番号:06555177 研究代表者:佐々木 勝寛 研究期間:1994-1995年度

No / A new dual-log spiral geometry is proposed for microstrip resonators, offering substantial advantages in performance and size reduction at subgigahertz frequencies when realized in superconducting materials. The spiral is logarithmic in line spacing and width such that the width of the spiral line increases smoothly with the increase of the current density, reaching its maximum where the current density is maximum (in its center for ¿/2 resonators). Preliminary results of such a logarithmic ten-turn (2 × 5 turns) spiral, realized with double-sided YBCO thin film, showed a Q.-factor seven times higher than that of a single ten-turn uniform spiral made of YBCO thin film and 64 times higher than a copper counterpart. The insertion loss of the YBCO dual log-spiral has a high degree of independence of the input power in comparison with a uniform Archimedian spiral, increasing by only 2.5% for a 30-dBm increase of the input power, compared with nearly 31% for the uniform spiral. A simple approximate method, developed for prediction of the resonant frequency of the new resonators, shows a good agreement with the test results.

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.

Cryocoolers are closed cycle devices which produce cooling below 120 K. Usually, one or two linear motors are used to drive one pulse tube cryocooler. Cryocoolers are used for various applications like, cooling of infra red detectors, cryo surgical knife, cryogen recondenser etc. In this thesis the design development and testing of Twin Pulse Tube Cryocooler (TPTC) are discussed. TPTC consists of two pulse tubes driven by dual piston head linear compressor. This dual piston linear compressor is operated using single linear motor. Using this configuration, cooling power is doubled with reduced cost of compressor. The design, fabrication and testing of Linear Moving Magnet Synchronous Motor (LMMSM) based dual piston head linear compressor are carried out indigenously. Finite Element Method (FEM) analysis is used for estimating eddy current loss and flux distribution pattern in various mover configurations of the linear motor. The developed fabrication and assembly procedure of linear motor are discussed in detail. The mover of linear motor is supported by using a pair of cross armed C – type flexures. These flexures are designed using FEM and are fabricated indigenously. The flexure pairs are tested for 108 cycles with ± 3 mm stroke length of linear motor before assembling compressor. Linear motor is usually required to be operated at different frequencies. Thus, a variable frequency and variable voltage Pulse Width Modulated (PWM) based power supply is designed using analog circuits like Op-Amps. This cost effective power supply is capable of delivering 27 A at 100 V with frequency range of 25 Hz to 80 Hz continuously. Sage software was used to carry out 1-D simulation and obtain dimensions of various Pulse Tube Cryocooler (PTC) components. Various pulse tube configurations like Joint Twin PTC, Twin PTC with buffer volume and single PTC with buffer volume were carried out. A Computational Fluid Dynamics (CFD) Fluent 2-D analysis was carried out for single PTC with buffer volume. The fabrication and assembly procedure of PTC is discussed in detail. A novel method of heat exchanger fabrication was developed and analyzed using FEM and its performance is tested experimentally. The twin PTC is operated at 34 bar and 48 Hz. A light weight High Temperature Superconductor (HTS) based level sensor is developed to monitor the cryogen level. The developed sensor was calibrated against discrete diode array and pre-calibrated continuous capacitance type level sensor. The calibrations were carried out in indigenously designed and fabricated 4-wall cryostat using Liquid Nitrogen (LN2) and LOX as cryogen. LabVIEW software based data acquisition was designed for testing, recording and monitoring the performance of twin PTC and level sensors during experiments.

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.