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Ver el documento (formato PDF)   Chiliotte, Claudio Ezequiel.  "Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas"  (2015-06-11)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
El uso de superconductores en aplicaciones tecnológicas depende del control de algunos parámetros como la corriente crítica, la magnetización y la susceptibilidad magnética. Todos estos parámetros están fuertemente ligados a las fuerzas de anclaje que el material ejerza sobre los vórtices superconductores. Adicionalmente, los vórtices en materiales superconductores sometidos a potenciales de anclaje constituyen un sistema complejo análogo a otros de distintos orígenes como las ondas de densidad de carga, ondas de spin, coloides y capas atómicas adsorbidas en sustratos. Sin embargo, los vórtices conforman un marco ideal para el estudio de este tipo de sistemas debido a la sencillez para controlar las variables involucradas: las constantes elásticas se modifican variando el campo magnético (distancia relativa entre vórtices) y las longitudes características que gobiernan la interacción entre vórtices, y entre estos con cada centro de anclaje, se varían modificando la temperatura. Por estas razones, el efecto de los centros de anclaje artificiales sobre el comportamiento de la red de vórtices en materiales superconductores ha sido objeto de numerosas e intensas investigaciones en las últimas décadas. En los últimos años se han obtenido muestras que proveen centros de anclaje ordenados periódicamente en la escala submicrométrica. Estas muestras han sido sometidas a numerosos experimentos, y sus resultados contrastados con simulaciones numéricas en base a diversos modelos. La confluencia de intereses científicos y tecnológicos ha mantenido muy activa esta área del conocimiento que aun cuenta con numerosos problemas por resolver. En este trabajo se estudió la dinámica de la red de vórtices en distintas películas superconductoras provistas por colaboradores. Todas las películas superconductoras estudiadas son de Niobio (Nb) y cuentan con centros de anclaje intrínsecos. Estos centros de anclaje se hallan distribuidos al azar y se generan inevitablemente durante el proceso de fabricación. Adicionalmente, las películas estudiadas fueron provistas de centros de anclaje artificiales de distinto origen y ordenados de diferentes maneras. El objetivo de esta tesis fue el estudio de la competencia entre el anclaje intrínseco al azar y el anclaje artificial periódico, el efecto de las diferentes simetrías del potencial de anclaje periódico (triangular, cuadrado, rectangular) y el comportamiento de la red de vórtices frente a potenciales periódicos repulsivos o atractivos generados por heteroestructuras superconductoras. En el capítulo 1 se ofrece una introducción sobre algunos aspectos teóricos de la superconductividad necesarios para el análisis de las muestras estudiadas. Las técnicas de medición utilizadas en este trabajo fueron la susceptibilidad ac y la magnetización dc. El capítulo 2 está dedicado a una breve descripción de las mismas. En el capítulo 3 se analiza una película de Nb con una red triangular de poros (con parámetro de red 100 nm) y otra similar pero sin ninguna estructura artificial particular. Se verifica que en la película sin estructuración existe un anclaje de la red de vórtices proveniente de los centros intrínsecos de esta muestra. Por otro lado, se verificó que en la película porosa la corriente crítica de la misma aumenta anómalamente cuando el campo magnético aplicado produce una cantidad de vórtices que es un múltiplo entero del número de poros existentes. Finalmente, se identificó a este efecto de conmensuración con un aumento en la eficiencia en el anclaje de la red debido a los poros. En el capítulo 4 del trabajo se agregó al análisis una película de Nb con inclusiones de Hierro (Fe). Esas inclusiones tienen tamaño y distribución similares a los poros de la película porosa. Se encontró que en ambas muestras existe una competencia entre los potenciales de anclaje artificiales (inclusiones de Fe y poros) y los intrínsecos del Nb. Se concluyó que esta competencia es la responsable de un comportamiento magnético histerético por debajo de cierta temperatura reducida (aproximadamente 0.75). En el capítulo 5 se estudió una película de Nb con inclusiones de tamaño y distribución similares a las anteriores, pero en este caso el material fue Vanadio (V). El V se torna superconductor a una temperatura inferior a la del Nb. Por lo tanto, a bajas temperaturas, las inclusiones funcionan como centros de anti-anclaje que repelen a los vórtices. Para temperaturas superiores a la crítica del V pero inferiores a la crítica del Nb, el V tiene un comportamiento metálico y las inclusiones cumplen la función de centros de anclaje. En ambos regímenes se encontraron efectos de conmensuración. En el régimen de bajas temperaturas el anclaje de la red se explica por un efecto de enjaulamiento de los vórtices que son repelidos por las inclusiones de V. Se encontró que el anclaje de la red por enjaulamiento a bajas temperaturas es más eficiente que el producido por efectos de anclaje a altas temperaturas. En las muestras de los capítulos 3, 4 y 5, la geometría (triangular) de la distribución de los centros de anclaje era coincidente con la geometría de una red de vórtices en total ausencia de anclaje. En el capítulo 6 se trabajó con dos películas de Nb con inclusiones de Níquel (Ni), pero en este caso la distribución de los centros de anclaje artificiales no fue triangular sino cuadrada (con parámetro de red 400 nm) y rectangular (parámetros de red 400 nm y 600 nm). En la muestra con distribución cuadrada se observaron claros efectos de conmensuración y una evolución en la movilidad de la red dependiente del campo aplicado que coincide con predicciones obtenidas a partir simulaciones numéricas. En el caso de la muestra con geometría rectangular no se observó el cambio de régimen en los efectos de conmensuración encontrado anteriormente por otros autores en experimentos de transporte e incluso algunos órdenes parecen haberse perdido. Se concluyó que esto es debido a la distribución azimutal de las corrientes inducidas en las mediciones de susceptibilidad ac, en contraste con la distribución unidireccional en los experimentos de transporte. De esta manera se examinaron diversos aspectos vinculados al anclaje de la red de vórtices por centros periódicos submicrométricos, en particular la competencia a bajas temperaturas con el desorden intrínseco, el anclaje por enjaulamiento repulsivo vs fuerzas atractivas y los efectos de la simetría del potencial de anclaje en experimentos de susceptibilidad ac.

Abstract:
The use of superconductors in technological applications depends on the control of parameters such as the critical current, magnetization and magnetic susceptibility. All these parameters are strongly linked to the pinning forces the material exerts on the superconducting vortices. Additionally, vortices in superconductors subjected to pinning potentials are analogous to other complex systems of different origin such as charge density waves, spin waves, colloids and adsorbed atomic layers on substrates. However, vortices are an ideal framework for studying such systems because of the simplicity to control the variables involved: the elastic constants are modified by varying the magnetic field (relative distance between vortices) and the characteristic lengths that govern the interaction between vortices and between vortices and pinning centers by modifying the temperature. For these reasons, the effect of artificial pinning centers on the behavior of the vortex lattice in superconducting materials has been the subject of numerous and extensive research over the last decades. In recent years samples containing periodically arranged pinning centers in the scale of nanometers have been obtained. These samples have been subjected to numerous experiments, and the results contrasted with numerical simulations based on different models. The confluence of scientific and technological interest has made this knowledge area very active although there are many problems to solve. In this work the dynamics of vortices in different superconducting films obtained through collaborators was studied. All superconducting films studied were Niobium (Nb) films that have intrinsic pinning centers. These pinning centers are randomly distributed and are inevitably generated during the manufacturing process. Additionally, the films studied include artificial pinning centers of different origin and sorted in various ways. The aim of this thesis was to study the competition between the intrinsic random pinning and artificial periodic pinning, the effect of the different symmetries of the periodic pinning potential (triangular, square, rectangular) and vortex lattice (VL) behavior in the presence of repulsive or attractive potentials, generated by superconducting heterostructures. Chapter 1 provides an introduction to some theoretical aspects of superconductivity required for the analysis of the studied samples. The measurement techniques used in this work were ac susceptibility and dc magnetization. Chapter 2 is devoted to a brief description of them. Vortex dynamics in a Nb film with a triangular array of pores (with lattice constant 100 nm) and in a similar film but without any artificial structure is analyzed in Chapter 3. Pinning effects are observed in the latter, and are due to the presence of intrinsic defects. Furthermore, it was verified that the critical current of the porous film increases anomalously when the applied magnetic field generates a vortex density that is an integer multiple of the density of pores. Finally, this commensuration effect was identified with an increased efficiency in the pinning due to the pores. In chapter 4 the analysis of vortex dynamics in a Nb film containing Iron (Fe) inclusions is presented. These inclusions are magnetic but have similar size and distribution as the pores in the porous film. It was found that in both samples there is a competition between the artificial and Nb intrinsic pinning potentials. It was concluded that this competition is responsible for the hysteretic behavior that is observed below a cross over reduced temperature (about 0.75). A Nb film with a distribution of inclusions similar to the above was studied in chapter 5. In this case the material is a superconductor, Vanadium (V), with a lower critical temperature than Nb. Thus, at low temperatures, V inclusions behave as antipinning centers that repel vortices. For temperatures above the V critical temperature and below the Nb critical temperature, V inclusions have a metallic behavior and behave as pinning centers. Commensuration effects were found in both regimes. In the low temperature regime VL pinning is explained by caging effect: vortices are repelled by V. It was found that the pinning of the VL by caging at low temperatures is more efficient than pinning effects at high temperatures. In samples described in chapters 3, 4 and 5, the symmetry (triangular) of the artificial pinning array was coincident with the symmetry of the VL in the absence of pinning. In Chapter 6, we worked with two films of Nb with Nickel (Ni) inclusions but in this case the distribution of the artificial pinning centers was square (with lattice constant 400 nm) and rectangular (lattice constants 400 nm and 600 nm). Clear effects of commensuration were observed in the sample with a square array. The field dependence of the VL mobility is consistent with numerical simulations reported elsewhere. In the case of the sample with a rectangular array of Ni inclusions, the effects of commensuration were not periodic in field as expected from transport experiments previously reported, and some orders appear to be lost. It was concluded that this behavior is related to the azimuthal distribution of induced currents in ac susceptibility measurements, in contrast to the unidirectional distribution of current in transport experiments. Thus, various aspects of vortex dynamics related to submicron artificial periodic pinning, particularly the low temperature competition with intrinsic disorder, the effect of repulsive vs attractive forces and the effects of the symmetry of the pinning potential in ac susceptibility experiments have been examined in this work.

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Registro:
Título : Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas     =    Artificial and intrinsic pinning in nanostructured superconducting films
Autor : Chiliotte, Claudio Ezequiel
Director : Bekeris, Victoria
Consejero : Acha, Carlos
Jurados : Grigera, Santiago  ; Grecco, Hernán  ; Levy, Pablo
Año : 2015-06-11
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física. Laboratorio de Bajas Temperaturas
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5782_Chiliotte
Idioma : Español
Area Temática : Física / Superconductores
Palabras claves : PELICULAS SUPERCONDUCTORAS; ANCLAJE DE VORTICES; NANOESTRUCTURAS; PROPIEDADES MAGNÉTICAS; SUSCEPTIBILIDAD AC; SUPERCONDUCTING FILMS; VORTEX PINNING; NANO-STRUCTURES; MAGNETIC PROPERTIES; AC SUSCEPTIBILITY
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