title: Edge-barrier and film thickness effects on fast vortex dynamics in superconductors
Creators: name: Budinská, Barbora
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Fähigkeit, die Bewegung einzelner supraleitender Wirbel zu manipulieren und ultrahoch Wirbelgeschwindigkeiten zu erreichen, ist Gegenstand umfangreicher Untersuchungen, um solch supraleitende Wirbel in neuartigen fluxonischen Bauelementen zu verwenden, in denen Wirbel die Rolle von Elektronen in der herkömmlichen Nano- und Mikroelektronik ersetzen und um supraleitende Einzelphotonendetektoren zu verbessern. In diesem Zusammenhang setzen wir eine leicht zugängliche Methode zur Untersuchung der Wirbeldynamik ein, indem wir Stromspannungskurven (I-V) messen. Insbesondere die Form der Kurven und das Vorhandensein eines abrupten stromabhängigen Sprungs in einen hochohmigen Zustand, die Flussstrominstabilität, dienen als Methode, um Informationen über die Wirbeldynamik, die maximale Wirbelgeschwindigkeit v* und die Relaxation von Quasiteilchen (ungepaarte Elektronen) in einem Supraleiter zu gewinnen. In dieser Arbeit haben wir untersucht, wie die Dicke eines amorphen MoSi-Films und eines polykristallinen Nb-Films die supraleitenden Parameter beeinflusst und die Ergebnisse mit bekannten Modellen verglichen. Wir haben festgestellt, dass sich die meisten supraleitenden Parameter mit abnehmender Dicke verschlechtern, während sich v* und die Relaxationsgeschwindigkeit verbessern. Daher sollten je nach Verwendungszweck und Material Schichtdicken im mittleren Bereich gewählt werden. Die Studie hat auch gezeigt, dass die derzeit verwendeten Modelle zur Ableitung der Relaxationszeit reale experimentelle Daten in dünnen Filmen nur unzureichend beschreiben. Wir führen dies auf die Vernachlässigung lokaler Flussstrominstabilitäten und Randbarriereeffekte in diesen Modellen zurück. Um dies zu rechtfertigen, untersuchen wir im zweiten Teil dieser Arbeit 15-nm dicke MoSi-Schichten mit rauen und glatten Kanten, die durch Laserätzen und Fräsen mit einem fokussierten Ionenstrahl hergestellt wurden. Die Abhängigkeit der Relaxationszeit von der Beschaffenheit der Kante ist ein Indikator dafür, dass die mit den derzeit verwendeten Modellen abgeleitete Relaxationszeit keine intrinsische Eigenschaft ist, wie es wünschenswert wäre. Die Filme mit glatten Kanten führen zu 10 bis 20 Mal größeren v*, um den Faktor 3 größeren kritischen Strömen und um den Faktor von einigen Zehnteln kürzeren Relaxationszeiten. Außerdem beobachteten wir eine Verbesserung der Anpassungen der Modelle für die Filme mit glatten Kanten, für die Kantenbarriereeffekte weniger ausgeprägt sein sollten. Im allerletzten Abschnitt dieser Arbeit wurden künstlich erzeugte Schlitze an den Kanten von 15-nm dicken MoSi-Filmen untersucht. Zum einen wird dabei die besondere Wirbeldynamik solcher Strukturen beschrieben, indem die Transversalspannung sowohl analytisch als auch experimentell untersucht wird. Zum anderen werden die Knickstellen in den I-V-Kurven zur Bestimmung der Anzahl der Fluxonen, welche die geschlitzten Strukturen durchqueren, verwendet, um v^* bei niedrigen Magnetfeldern genau zu bestimmen. Unsere Erkenntnisse im Rahmen dieser Arbeit sind wichtig, um die Ableitung von Parametern supraleitender Materialien aus I-V-
Messungen in dünnen Schichten zu verbessern.
description: The ability to manipulate the movement of individual vortices and to achieve ultrahigh vortex velocities is a subject of extensive investigations, triggered by the longing to use vortices in novel fluxonic devices where vortices would replace the role of electrons used in traditional nano- and microelectronics and by the longing to enhance superconducting single-photon detectors. In this regard, we employ a highly accessible method to study the vortex dynamics using current-voltage (I-V) curves measurements. Particularly the shape of the curves and the presence of an abrupt current-biased jump into a highly resistive state, the flux flow instability, serve as a method to extract information about the vortex dynamics, the maximal vortex velocity v*, and the relaxation of quasiparticles (unpaired electrons) in a superconductor. Here, we investigated how the thickness of an amorphous MoSi film and a polycrystalline Nb film influences its superconducting parameters and compare the results with known models. We have observed that whilst most superconducting parameters worsen with decreasing thickness, v* and the speed of relaxation improves. Therefore, films should be chosen to have middle range thicknesses depending on the intended use and material. The study has also shown that the currently employed models to derive the relaxation time only poorly describe real experimental data in thin films. We ascribe this to the neglect of local flux-flow instability and edge barrier effects in these models. To justify this, in the second part of this thesis, we investigate 15-nm thick MoSi films with rough and smooth edges produced by laser etching and milling by a focused ion beam. The dependency of the relaxation time on the edge is an indicator that the relaxation time derived using the currently employed models is not an intrinsic property as would be desired. The films with smooth edges lead to between 10 to 20 times larger v*, a factor of 3 larger critical currents, and a factor of couple tenths shorter relaxation times. In addition, we observed an improvement in the fits of the models for the films with smooth edges for which edge barrier effects should be less prominent. In the very last section of this thesis, artificially created slits in the edges of 15-nm thick MoSi films were studied. Firstly, the unique vortex dynamics of such structures are described by studying transverse voltage both analytically and experimentally. Secondly, kinks in I-V curves are used to determine the number of fluxons crossing the slitted structures in order to precisely determine v* at low magnetic fields. Our findings in the scope of this thesis are essential to improve how superconducting material parameters are derived from I-V measurements in thin films.