Hochfrequenzuntersuchungen an niedrigdimensionalen Supraleitern

Abstract

Mit der BCS-Theorie lassen sich die Eigenschaften konventioneller Supraleiter sehr genau beschreiben. In unkonventionellen Supraleitern kann neben der Gestalt des Ordnungsparameters auch die Form des Paarungszustands von der klassischen Beschreibung abweichen: Im Unterschied zu den Singulett-Supraleitern mit einem Gesamtspin von Null ist hier ein Triplett-Supraleiter mit Gesamtspin Eins möglich. In den Bechgaard-Salzen und in Strontiumruthenat könnte diese exotische Form der Triplett-Supraleitung vorliegen. Die Frage nach der Natur und der Gestalt des Paarungszustands wird von der Frage nach der Vermittlung der Supraleitung begleitet. In den klassischen, konventionellen Supraleitern spielen Phononen die Rolle der Paarvermittler. Bei unkonventionellen Supraleitern können Spinfluktuationen oder andere Wechselwirkungen eine zusätzliche oder gar die alleinige Rolle der Paarvermittler spielen.

Bei den in dieser Arbeit untersuchten Materialien handelt es sich um unkonventionelle Supraleiter mit stark anisotropen Eigenschaften. Sowohl die Gestalt des Ordnungsparameters als auch die Form des Paarungszustands der Materialien ist nicht eindeutig geklärt. Die untersuchten Materialien besitzen Sprungtemperaturen bis hinunter zu 1 K. Ihr supraleitender Zustand ist somit nicht mehr den optischen Messverfahren zugänglich. Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften im niederfrequenten Bereich erfordern die Kontaktierung der Proben mittels Leitpasten, was die druckempfindlichen supraleitenden Eigenschaften beeinflussen kann. Bei Energien unterhalb 100 GHz bieten sich deshalb Messungen mit Mikrowellen an. Hochfrequenzmessungen in geschlossenen Resonatoren bringen den Vorteil der kontaktlosen Messung mit sich. Zudem können Kristalle untersucht werden, deren Ausdehnung deutlich unterhalb der Wellenlänge liegt. Vor allem bei organischen Materialien erwiesen sich kleine Einkristalle als qualitativ hochwertiger im Vergleich zu großen Proben. Im Resonator trifft die Strahlung mehrfach auf die Probe, was die Empfindlichkeit der Messungen an metallischen Materialien erhöht, die ohnehin nur wenig absorbieren. Zudem können beide Komponenten der komplexen optischen Parameter bestimmt werden, z.B. die komplexe Leitfähigkeit. Dies ermöglicht einerseits die Messung der Sprungtemperatur im Hochfrequenzbereich, andererseits kann über die Temperaturabhängigkeit der Eindringtiefe auf Nullstellen im Ordnungsparameter geschlossen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Messapparatur aufgebaut, mit der die komplexen Hochfrequenzeigenschaften sowie der spezifische Widerstand von anisotropen Materialien ermittelt werden können. Ein 3He-Kryostat erlaubt die Untersuchung bei Temperaturen zwischen 0,4 K und Raumtemperatur. Mit der Apparatur wurden unterschiedlich niedrigdimensionale Supraleiter analysiert: das quasi-eindimensionale Bechgaard-Salz (TMTSF)2ClO4, die zweidimensionalen organischen Ladungstransfersalze k-(BEDT-TTF)2I3 und k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br sowie das strukturell und elektronisch den zweidimensionalen Hochtemperatursupraleitern verwandte Sr2RuO4. Mittels verschiedener Einsätze wurden die Hochfrequenzeigenschaften und der Gleichstrom-Widerstand der Proben im selben 3He-Kryostat untersucht. Der Gleichstrom-Einsatz ermöglicht die Bestimmung des Probenwiderstands nach der Vierpunktmethode. Bei den Messungen erwies sich Leit-Kohlenstoff als optimale Kontaktpaste. Die damit möglichen geometrisch kleinen Kontakte minimieren mechanische Spannungen und besitzen geringe Kontaktwiderstände ohne wesentliche Temperaturabhängigkeit. Der Mikrowellen-Einsatz arbeitet bei 35 GHz und erlaubt durch eine in-situ Positionierung der Probe im maximalen elektrischen Feld oder im maximalen magnetischen Feld. Das rechnergesteuerte Messsystem passt automatisch die Breite des Frequenzscans an die sich mit der Temperatur ändernde Mittenfrequenz sowie Halbwertsbreite an. Frequenz und Halbwertsbreite werden mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die gleichzeitige Ermittlung von Halbwertsbreite und Mittenfrequenz des Resonators erlaubt die direkte Berechnung der komplexen Hochfrequenzeigenschaften (Oberflächenimpedanz bzw. Leitfähigkeit) aus den Messdaten. Im supraleitenden Zustand deutlich unterhalb der Sprungtemperatur lässt sich aus der Oberflächenreaktanz die Eindringtiefe ermitteln. Ihre Temperaturabhängigkeit kann mit verschiedenen Modellen verglichen werden und liefert Aufschluss über die Gestalt des supraleitenden Ordnungsparameters. Der Temperaturverlauf der Leitfähigkeit kann Rückschlüsse auf die Natur des supraleitenden Zustands liefern.

Der Übergang in den supraleitenden Zustand bei 35 GHz konnte bei allen Materialien beobachtet werden. Erstmals wurde der supraleitende Zustand bei 35 GHz in Strontiumruthenat bzw. in (TMTSF)2ClO4 beobachtet.

Conventional superconductivity can be successfully described by the BCS theory. Instead of classical isotropic s-wave pairing with finite energy gap the order parameter of unconventional superconductors can posses a higher orbital momentum. In addition the state of pairing can differ. Not zero net spin as in the case of BCS superconductors but triplet superconductivity with net spin one can be realized. Triplet pairing is theoretically possible in low-dimensional organic materials as well as in strontium ruthenate. Accompanying the question of nature and shape of the pairing state is the question of origin of superconductivity. Phonons mediate superconductivity in classical BCS superconductors. In unconventional superconductors spin fluctuations or other interactions can act as pairing mediators additionally or solely.

The materials investigated in this work belong to the group of unconventional superconductors with highly anisotropic properties. Both, the form of the order parameter and the state of pairing in these materials are under debate. Quasi-one dimensional (TMTSF)2ClO4 and two-dimensional Sr2RuO4 are prime candidates for triplet superconductivity whereas the two-dimensional k-(BEDT-TTF)2X salts with X=I3 and X=Cu[N(CN)2]Br are discussed as s-wave or d-wave superconductors. The transition temperatures of these low-dimensional superconductors extend down to about 1 K. The superconducting state is thus not accessible to optical measurements. Investigating their electronic properties with low-frequency methods demands contacting the samples. Especially pressure-dependent properties and fragile materials can better be investigated in the microwave range. High-frequency measurements in closed resonators require no contacts. Additionally, single crystals with dimensions well below the wavelength can be probed. In organic materials small single crystals proved to have better qualities compared to bigger samples. As the radiation within the cavity interacts several times with the sample sensitivity in measuring metallic materials with low absorption is increased. Furthermore both components of the complex optic properties like conductivity or surface impedance are accessible.

In this work a 3He setup was built to investigate dc resistivity and high-frequency properties (e.g. complex surface impedance or complex conductivity) of low-dimensional materials from 0.4~K to 300~K, as most of the materials posses transition temperatures below liquid Helium temperature. In order to investigate the temperature dependent complex surface impedance of low-dimensional superconductors a cavity perturbation technique at 35 GHz is used. As a contactless measurement the cavity perturbation technique is ideal for organic materials with high contact resistances. Resistivity measurements complete the characterization of the materials. Both, the superconducting and the normal-state properties of low-dimensional metals can be determined in a broad range. The superconducting transition was clearly observed in the surface impedance data at 35 GHz at all investigated materials.