Wir werden hier die allgemeinen Merkmale von geschlossenen Aluminium Bruch-Kontakten untersuchen.
3.2.1 Doppelter Sprung im Magnetfeld
Wir werden hier den Ursprung des doppelten Sprunges erklären, den wir in den Kennlinien 3.5 und 3.4 gesehen haben.
Abbildung 3.6: R(B) Kennlinien von Bruch-Kontakten im Magnetfeld. Die linke Kennlinie wurde bei einem ungedehnten Bruch-Kontakt aufgenommen (1,1 K). Die rechte wurde aufgenommen, nachdem der Bruch-Kontakt leicht gedehnt worden war (0,7 K).
Die erste Kennlinie der Abbildung 3.6 (in rot) wurde bei 1,1 K, gleich nach dem su-praleitenden Sprung bei 1,18 K, aufgenommen, und dass, bevor die Probe gedehnt wurde. Die zweite Kennlinie der Abbildung 3.6 (in grün) wurde nach einer leich-ten Dehnung des Bruch-Kontaktes aufgenommen. Diese Messungen unterscheiden sich in zwei Punkten: Einerseits ist das kritische Feld stark unterschiedlich und an-dererseits ist die Amplitude des zweiten Sprunges (welcher bei höheren Feldern auftritt) verschieden. Der Unterschied der kritischen Felder wird durch die Tem-peratur verursacht. Die TemTem-peratur ist umso tiefer, je größer das kritische Feld ist. Wir setzen die Amplituden Veränderung des supraleitenden Sprunges in Ver-bindung mit dem Dehnungszustand der Brücke. Man kann also sagen, dass der letzte Sprung im Allgemeinen der Brücke des Bruch-Kontaktes zuzuordnen ist und
der vorhergehende Sprung den Aluminium-Zuleitungen zuzuschreiben ist. Die ent-sprechenden Widerstände dieser zwei unabhängigen Bereiche können aus der Ab-bildung 3.6 herausgelesen werden. Der Widerstand des zentralen Bereichs beträgt vor der Dehnung 0,5Ωund nach der Dehnung 1,15Ω. Der Widerstand der Zulei-tungen beträgt 5,5Ω.
Ein letzter Vergleich muss noch mit einem fast offenen Bruch-Kontakt durch-geführt werden, für den nur wenige Kanäle den Strom tragen. In der Kennlinien der Abbildung 3.7 können wir nur noch einen einzelnen Sprung sehen, welcher der freitragenden Brücke des Bruch-Kontaktes zugeschrieben wird.
A B
Abbildung 3.7: R(B) Kennlinien eines Bruch-Kontaktes im Magnetfeld. A Kontakt bei11G0. B Kontakt bei2G0. Da der Widerstand der Zuleitungen nie größer als 50 Ωist, sehen wir hier nur noch den Sprung des zentralen Bereichs des Bruch-Kontaktes.
Anmerkung: Diese Art von supraleitendem Übergang mit mehreren Sprüngen wird auch in polykristallinem Aluminium [Coch 56] gemessen, in dem auch meh-rere unabhängige Bereiche definiert sind.
3.2.2 Kritische Temperatur
Bei der Bestimmung der kritischen Temperatur haben wir eine leichte Hysterese sehen können. Beim genaueren Hinschauen, sah man, dass sie dadurch zustande kam, dass die Abkühlgeschwindigkeit viel größer als die Aufwärmgeschwindig-keit des Kryostaten war. Deshalb zeigte unser Thermometer nicht die echte12 Pro-bentemperatur an. Wir werden deshalb im Folgenden nur die Messungen, welche
12Diese Temperaturverschiebung ist mit der Zeit verbunden, die das System braucht, um ins mische Gleichgewicht zu kommen. Praktisch gesehen hatte das Thermometer einen besseren
ther-während des Aufwärmens aufgenommen wurden, betrachten.
Trotz der jetzt vergleichbaren Sprungtemperatur hatten einige Messungen ein qualitativ unterschiedliches Verhalten. In dem ersten Fall sah man einen sprung-haften Anstieg des Widerstandes, wie er in der Abbildung 3.8 zu sehen ist.
Abbildung 3.8: Prozentanteil des normalen Widerstandes als Funktion der ratur (ungedehnter Bruch-Kontakt) für den supraleitenden Sprung in der Tempe-ratur. Zwei Messungen bei mittlerer Aufwärmgeschwindigkeit des Kryostaten und für die gleiche Probe.
Wenn man diese Messungen mit kleinstmöglicher Aufwärmgeschwindigkeit wiederholt, sieht man einen progressiven Anstieg des Widerstandes, wie in Abbil-dung 3.9 dargestellt.
mischen Kontakt zum System als die Probe, welche, um durchgebogen zu werden, zwischen zwei Gegenlagern ”aufgehängt” ist. Das Thermometer erreicht deshalb schneller die Gleichgewichtstem-peratur als die Probe. Im Extremfall, bei konstanter TemGleichgewichtstem-peratur des Thermometers und während des Abkühlens, kommt der supraleitende Sprung etwa eine Minute später.
Abbildung 3.9: Prozentanteil des normalleitenden Widerstandes (ungedehnter Bruch-Kontakt) als Funktion der Temperatur für den supraleitenden Sprung. Zwei Messungen, die für die kleinstmögliche Aufwärmgeschwindigkeit und an der selben Probe durchgeführt wurden. Wir bestimmen Tc bei 50 % des Sprunges.
In der Abbildung 3.9 kann man davon ausgehen, dass wir eine kontinuierli-che Zunahme der Spannung bis 1,182 K und einen letzten Sprung bei 1,191 K haben. Die Struktur wird Stück für Stück wieder normalleitend, wie auch im Ab-schnitt 3.2.1 für den doppelten Sprung im Magnetfeld. Wissend, dass die kriti-sche Temperatur von Aluminium Kluster stark von deren Größe13abhängt (siehe [Susu 74a], [Susu 74b] und [O A 69] für Experimente), könnten unterschiedliche Bereichsgrößen verschiedeneTchaben.
Letztendlich finden wir in [Land 90] sechs Messungen mit kritischen Tempe-raturen für Bulk-Aluminium, welche von 1,175 K bis 1,183 K gehen. Unsere Messwerte stimmen also mit der Literatur überein.
3.2.3 Sprung im elektrischen Strom
Man kann sich jetzt die Frage nach dem kritischen Strom stellen. Betrachten wir die Gleichung 3.1, welche für einen kurzen SNS Kontakt dasIcRN Produkt in Ab-hängigkeit der Isolatordicke angibt [Buck 04]:
IcRn= 3π
mitRN, der normalleitenden Widerstand,Ic, der kritischen Strom,d, die Länge des normalleitenden Bereichs,∆0 das Gap bei 0 K undξN die Kohärenzlänge im normalleitenden Material.
In unserem Fall handelt es sich um einen SS-Kontakt. Das führt uns auf die Gleichung 3.2.
13Dieser Effekt wird durch die ”neuen” phonischen Moden verursacht, welche die Oberfläche einbeziehen und auf diese Weise die Elektron-Phonon Kopplung vergrößern. Um mehr über die Theorie zu erfahren, siehe [Leav 81].
Abbildung 3.10: Supraleitender Sprung im Strom für einen ungedehnten Bruch-Kontakt. In Rot sehen wir den positiven Anteil und in Schwarz den negativen An-teil der Stromkennlinie. In Grün sehen wir eine Vergrößerung (obere X-Achse) des Sprunges bei abfallendem Strom.
Wenn man dieses Produkt auf unsere Probe anwendet (Abbildung 3.10), dann müsste mit einemRN = 2 Ωder kritische BCS Strom gleich 0,794mAsein. Wir sind also für zunehmenden und abnehmenden Strom jeweils bei 46% und 61% des theoretischen Wertes eines reinen BCS Supraleiters. Tinkham [Tink 96] schreibt, dass ein kritischer Strom, der 10% des theoretischen BCS Stroms beträgt, gut zu erreichen ist. Unser Kryostat erlaubt uns also, sehr nahe an den theoretischen Wert zu kommen.
Außerdem sehen wir eine Hysterese in dem supraleitenden Sprung. Für wach-sende Ströme erfolgt der Sprung bei 0,487 mA und bei fallenden Strömen bei 0,368 mA. Dieses Verhalten wird durch eine höhere elektronische Temperatur in dem normalleitenden Metal als in dem supraleitenden Metal hervorgerufen [Cour 08].
Letztendlich haben wir auf der rechten Seite der Abbildung 3.10 einen die-ser Sprünge vergrößert dargestellt. Man kann hier einen Sprung sehen, der wahr-scheinlich den Zuleitungen zugesprochen werden kann, und einen Sprung, der dem zentralen Teil des Bruch-Kontaktes (wie in Abschnitt 3.2.1 beschrieben) entspricht.