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Continued pursuit of better superconducting devices and an understanding of how the focused ion beam evolves in a complex material are the primary motivations behind this work. The materials of interest are MgB2 and Co-doped Ba122. Superconducting properties of MgB2 were discovered in 2001. It is the first superconductor recognized as a multigap superconductor. Owing to its high Tc of ~39K, electronic circuits based on this material are expected to operate at a much higher temperature (~25 K) than low-temperature superconductors, using compact cryocoolers. Co-doped Ba122 is also a multigap superconductor which belongs to Fe-based superconductor (FeSC) family. The undoped Ba122 compound is a metal exhibiting antiferromagnetism which coexists with superconducting phase up to a certain doping level. The optimally electron-doped BaFe2As2 exhibits the transition temperature Tc of ~21 K which corresponds to the top of the “dome” in the phase diagram. While the Fe-based SC may not signify a particular advance in terms of practical applications, many unique aspects make them worth studying. In particular, the superconducting gap symmetry and structures which appear to be quite different from family to family and not yet fully understood. We report on investigating the normal-state, and superconducting properties of Co-doped BaFe2As2 and MgB2 thin films irradiated at room temperature using a 30-keV focused He+ ion beam in helium ion microscope (HIM). R-T measurement was carried out to extract the dose dependence for Tc and resistivity p0 of the irradiated region. We observed an increase in p0 and a decrease in Tc down to complete suppression of superconductivity for both materials, although the trend of the changes was quite different. In addition, for Ba122, the data for ΔTc ⁄ Tc0 versus measured change in resistivity favors s± over s++ symmetry. Using TRIM software, the projected range and the damage density distribution of the He+ ions were tracked in the samples. Single track irradiation sites for MgB2 sample were characterized using FIB extraction/TEM. The TEM micrographs reveal the subsurface damage density contours that evolve with increasing dose. The Josephson effect is a unique phenomenon that gives direct access to the phase difference �� of the macroscopic wave functions that describe the superconducting state. Josephson junction is also appealing for engineering application in superconducting electronics. Having found the dose at which complete suppression of Tc occurs from the first part of the study, a fabrication process was developed to produce planar Josephson junctions from MgB2 and Co-doped Ba122. The Josephson coupling across the barrier for both materials was observed. MgB2 Josephson junctions showed resistivity shunted junction (RSJ) I-V curve with excellent uniformity and reproducibility. We have also demonstrated tens of planar MgB2 Josephson junctions operating coherently in series arrays. 60 Josephson junction series arrays successfully developed with less than 4% spread in critical current at 12 K. Under microwave radiation, flat giant Shapiro steps up to 150 μA width appear at voltages Vn=NnΦ0f, where N is the number of junction in the array, �� is an integer representing Shapiro step index, and f is the applied microwave frequency. The uniformity and close spacing of JJs in the arrays are significantly better than MgB2 multi-junction devices made by other techniques. It has been a huge success in showing the feasibility of this technology for pursuing superconducting digital electronics, Josephson voltage standards and arbitrary function generators in particular, in MgB2 with ≥ 20K operating temperature. / Physics

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

<p>Dynamic properties of type-II superconductors have been experimentally studied in zero and low magnetic fields using SQUID magnetometry and <i>I–V</i> measurements.</p><p>In zero magnetic field close to the critical temperature, the physical properties of type-II superconductors are dominated by spontaneously created vortices. In three dimensions (3D) such vortices take the form of vortex loops and in two dimensions (2D) as vortex-antivortex pairs.</p><p>The 2D vortex dynamics has been probed using mutual inductance and flux noise measurements on YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) and MgB₂ thin films in zero and low magnetic fields. In such measurements, information about vortex correlations is obtained through a temperature dependent characteristic frequency, below (above) which the vortex movements are uncorrelated (correlated). The results obtained in zero magnetic field indicate that sample heterogeneities influence the vortex physics and hinder the divergence of the vortex-antivortex correlation length.</p><p>In low magnetic fields the vortex dynamics is strongly dependent on the applied magnetic field and a power law dependence of the characteristic frequency with respect to the magnetic field is observed. The results indicate that there is a co-existence of thermally and field generated vortices.</p><p>The <i>I–V</i> characteristics of untwinned YBCO single crystals show that only a small broadening of the transition region influences the length scale over which the vortex movements are correlated. The dynamic and static critical exponents therefore exhibit values being larger in magnitude as compared to values predicted by relevant theoretical models. The results also suggest that the copper oxide planes in YBCO decouple slightly below the mean field critical temperature and hence, the system has a crossover from 3D to 2D behaviour as the temperature is increased. </p><p>From temperature dependent DC-magnetisation measurements performed on untwinned YBCO single crystals in weak applied fields, detailed information about the critical current density and the irreversibility line is obtained.</p>

Dynamic properties of type-II superconductors have been experimentally studied in zero and low magnetic fields using SQUID magnetometry and I–V measurements. In zero magnetic field close to the critical temperature, the physical properties of type-II superconductors are dominated by spontaneously created vortices. In three dimensions (3D) such vortices take the form of vortex loops and in two dimensions (2D) as vortex-antivortex pairs. The 2D vortex dynamics has been probed using mutual inductance and flux noise measurements on YBa2Cu3O7 (YBCO) and MgB2 thin films in zero and low magnetic fields. In such measurements, information about vortex correlations is obtained through a temperature dependent characteristic frequency, below (above) which the vortex movements are uncorrelated (correlated). The results obtained in zero magnetic field indicate that sample heterogeneities influence the vortex physics and hinder the divergence of the vortex-antivortex correlation length. In low magnetic fields the vortex dynamics is strongly dependent on the applied magnetic field and a power law dependence of the characteristic frequency with respect to the magnetic field is observed. The results indicate that there is a co-existence of thermally and field generated vortices. The I–V characteristics of untwinned YBCO single crystals show that only a small broadening of the transition region influences the length scale over which the vortex movements are correlated. The dynamic and static critical exponents therefore exhibit values being larger in magnitude as compared to values predicted by relevant theoretical models. The results also suggest that the copper oxide planes in YBCO decouple slightly below the mean field critical temperature and hence, the system has a crossover from 3D to 2D behaviour as the temperature is increased. From temperature dependent DC-magnetisation measurements performed on untwinned YBCO single crystals in weak applied fields, detailed information about the critical current density and the irreversibility line is obtained.

Des conducteurs mono- et multi-filamentaires de MgB2 dans une gaine de Nb/Cu ont été élaborés par la technique PIT (powder in tube) avec des dopages de carbone et de TiC. Les résultats montrent qu'il y a une couche de diffusion non supraconductrice à l'interface entre le Nb et MgB2 pour les échantillons traités à haute température, couche qui empêche la pénétration du courant dans le conducteur. Les traitements thermiques doivent être inférieurs à 750°C. Les effets des dopages au carbone amorphe et au TiC ont été étudiés par XRD,MEB et aimantation. La substitution du bore par du carbone diminue légèrement la Tc mais augmente la piégeage des vortex, conduisant à un optimum du courant critique. Des multi-filaments de 6, 12 et 36 filaments sans dopage ont été élaborés par la technique PIT. Les propriétés mécaniques de ces conducteurs ont été renforcées en utilisant un filament central en Nb. L'assemblage MgB2/Nb/Cu est très adapté pour obtenir de grandes longueurs de conducteurs par la méthode PIT.

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