Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas

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El uso de superconductores en aplicaciones tecnológicas depende del control dealgunos parámetros como la corriente crítica, la magnetización y la susceptibilidadmagnética. Todos estos parámetros están fuertemente ligados a las fuerzas de anclaje queel material ejerza sobre los vórtices superconducto...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Chiliotte, Claudio Ezequiel
Otros Autores:	Bekeris, Victoria
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2015
Materias:	PELICULAS SUPERCONDUCTORAS ANCLAJE DE VORTICES NANOESTRUCTURAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS SUSCEPTIBILIDAD AC SUPERCONDUCTING FILMS VORTEX PINNING NANO-STRUCTURES MAGNETIC PROPERTIES AC SUSCEPTIBILITY
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5782_Chiliotte
Aporte de:	Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	El uso de superconductores en aplicaciones tecnológicas depende del control dealgunos parámetros como la corriente crítica, la magnetización y la susceptibilidadmagnética. Todos estos parámetros están fuertemente ligados a las fuerzas de anclaje queel material ejerza sobre los vórtices superconductores. Adicionalmente, los vórtices enmateriales superconductores sometidos a potenciales de anclaje constituyen un sistemacomplejo 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, losvórtices conforman un marco ideal para el estudio de este tipo de sistemas debido a lasencillez para controlar las variables involucradas: las constantes elásticas se modificanvariando el campo magnético (distancia relativa entre vórtices) y las longitudescaracterísticas que gobiernan la interacción entre vórtices, y entre estos con cada centrode anclaje, se varían modificando la temperatura. Por estas razones, el efecto de loscentros de anclaje artificiales sobre el comportamiento de la red de vórtices en materialessuperconductores ha sido objeto de numerosas e intensas investigaciones en las últimasdécadas. En los últimos años se han obtenido muestras que proveen centros de anclajeordenados periódicamente en la escala submicrométrica. Estas muestras han sidosometidas a numerosos experimentos, y sus resultados contrastados con simulacionesnuméricas en base a diversos modelos. La confluencia de intereses científicos ytecnológicos ha mantenido muy activa esta área del conocimiento que aun cuenta connumerosos problemas por resolver. En este trabajo se estudió la dinámica de la red de vórtices en distintas películassuperconductoras provistas por colaboradores. Todas las películas superconductorasestudiadas son de Niobio (Nb) y cuentan con centros de anclaje intrínsecos. Estos centrosde anclaje se hallan distribuidos al azar y se generan inevitablemente durante el procesode fabricación. Adicionalmente, las películas estudiadas fueron provistas de centros deanclaje artificiales de distinto origen y ordenados de diferentes maneras. El objetivo deesta tesis fue el estudio de la competencia entre el anclaje intrínseco al azar y el anclajeartificial periódico, el efecto de las diferentes simetrías del potencial de anclaje periódico (triangular, cuadrado, rectangular) y el comportamiento de la red de vórtices frente apotenciales periódicos repulsivos o atractivos generados por heteroestructurassuperconductoras. En el capítulo 1 se ofrece una introducción sobre algunos aspectos teóricos de lasuperconductividad necesarios para el análisis de las muestras estudiadas. Las técnicas de medición utilizadas en este trabajo fueron la susceptibilidad ac yla 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 (conparámetro 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 vórticesproveniente de los centros intrínsecos de esta muestra. Por otro lado, se verificó que en lapelícula porosa la corriente crítica de la misma aumenta anómalamente cuando el campomagnético aplicado produce una cantidad de vórtices que es un múltiplo entero delnúmero de poros existentes. Finalmente, se identificó a este efecto de conmensuracióncon 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 inclusionesde Hierro (Fe). Esas inclusiones tienen tamaño y distribución similares a los poros de lapelícula porosa. Se encontró que en ambas muestras existe una competencia entre lospotenciales de anclaje artificiales (inclusiones de Fe y poros) y los intrínsecos del Nb. Seconcluyó que esta competencia es la responsable de un comportamiento magnéticohisterético por debajo de cierta temperatura reducida (aproximadamente 0.75). En el capítulo 5 se estudió una película de Nb con inclusiones de tamaño ydistribución 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 bajastemperaturas, las inclusiones funcionan como centros de anti-anclaje que repelen a losvórtices. 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 centrosde anclaje. En ambos regímenes se encontraron efectos de conmensuración. En el régimende bajas temperaturas el anclaje de la red se explica por un efecto de enjaulamiento de losvórtices que son repelidos por las inclusiones de V. Se encontró que el anclaje de la redpor enjaulamiento a bajas temperaturas es más eficiente que el producido por efectos deanclaje a altas temperaturas. En las muestras de los capítulos 3, 4 y 5, la geometría (triangular) de ladistribución de los centros de anclaje era coincidente con la geometría de una red devórtices en total ausencia de anclaje. En el capítulo 6 se trabajó con dos películas de Nbcon inclusiones de Níquel (Ni), pero en este caso la distribución de los centros de anclajeartificiales 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 seobservaron claros efectos de conmensuración y una evolución en la movilidad de la reddependiente del campo aplicado que coincide con predicciones obtenidas a partirsimulaciones numéricas. En el caso de la muestra con geometría rectangular no se observóel cambio de régimen en los efectos de conmensuración encontrado anteriormente porotros autores en experimentos de transporte e incluso algunos órdenes parecen haberseperdido. Se concluyó que esto es debido a la distribución azimutal de las corrientesinducidas en las mediciones de susceptibilidad ac, en contraste con la distribuciónunidireccional en los experimentos de transporte. De esta manera se examinaron diversos aspectos vinculados al anclaje de la redde vórtices por centros periódicos submicrométricos, en particular la competencia a bajastemperaturas con el desorden intrínseco, el anclaje por enjaulamiento repulsivo vs fuerzasatractivas y los efectos de la simetría del potencial de anclaje en experimentos desusceptibilidad ac.
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spelling	tesis:tesis_n5782_Chiliotte2023-10-02T20:11:27Z Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas Artificial and intrinsic pinning in nanostructured superconducting films Chiliotte, Claudio Ezequiel Bekeris, Victoria PELICULAS SUPERCONDUCTORAS ANCLAJE DE VORTICES NANOESTRUCTURAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS SUSCEPTIBILIDAD AC SUPERCONDUCTING FILMS VORTEX PINNING NANO-STRUCTURES MAGNETIC PROPERTIES AC SUSCEPTIBILITY El uso de superconductores en aplicaciones tecnológicas depende del control dealgunos parámetros como la corriente crítica, la magnetización y la susceptibilidadmagnética. Todos estos parámetros están fuertemente ligados a las fuerzas de anclaje queel material ejerza sobre los vórtices superconductores. Adicionalmente, los vórtices enmateriales superconductores sometidos a potenciales de anclaje constituyen un sistemacomplejo 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, losvórtices conforman un marco ideal para el estudio de este tipo de sistemas debido a lasencillez para controlar las variables involucradas: las constantes elásticas se modificanvariando el campo magnético (distancia relativa entre vórtices) y las longitudescaracterísticas que gobiernan la interacción entre vórtices, y entre estos con cada centrode anclaje, se varían modificando la temperatura. Por estas razones, el efecto de loscentros de anclaje artificiales sobre el comportamiento de la red de vórtices en materialessuperconductores ha sido objeto de numerosas e intensas investigaciones en las últimasdécadas. En los últimos años se han obtenido muestras que proveen centros de anclajeordenados periódicamente en la escala submicrométrica. Estas muestras han sidosometidas a numerosos experimentos, y sus resultados contrastados con simulacionesnuméricas en base a diversos modelos. La confluencia de intereses científicos ytecnológicos ha mantenido muy activa esta área del conocimiento que aun cuenta connumerosos problemas por resolver. En este trabajo se estudió la dinámica de la red de vórtices en distintas películassuperconductoras provistas por colaboradores. Todas las películas superconductorasestudiadas son de Niobio (Nb) y cuentan con centros de anclaje intrínsecos. Estos centrosde anclaje se hallan distribuidos al azar y se generan inevitablemente durante el procesode fabricación. Adicionalmente, las películas estudiadas fueron provistas de centros deanclaje artificiales de distinto origen y ordenados de diferentes maneras. El objetivo deesta tesis fue el estudio de la competencia entre el anclaje intrínseco al azar y el anclajeartificial periódico, el efecto de las diferentes simetrías del potencial de anclaje periódico (triangular, cuadrado, rectangular) y el comportamiento de la red de vórtices frente apotenciales periódicos repulsivos o atractivos generados por heteroestructurassuperconductoras. En el capítulo 1 se ofrece una introducción sobre algunos aspectos teóricos de lasuperconductividad necesarios para el análisis de las muestras estudiadas. Las técnicas de medición utilizadas en este trabajo fueron la susceptibilidad ac yla 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 (conparámetro 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 vórticesproveniente de los centros intrínsecos de esta muestra. Por otro lado, se verificó que en lapelícula porosa la corriente crítica de la misma aumenta anómalamente cuando el campomagnético aplicado produce una cantidad de vórtices que es un múltiplo entero delnúmero de poros existentes. Finalmente, se identificó a este efecto de conmensuracióncon 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 inclusionesde Hierro (Fe). Esas inclusiones tienen tamaño y distribución similares a los poros de lapelícula porosa. Se encontró que en ambas muestras existe una competencia entre lospotenciales de anclaje artificiales (inclusiones de Fe y poros) y los intrínsecos del Nb. Seconcluyó que esta competencia es la responsable de un comportamiento magnéticohisterético por debajo de cierta temperatura reducida (aproximadamente 0.75). En el capítulo 5 se estudió una película de Nb con inclusiones de tamaño ydistribución 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 bajastemperaturas, las inclusiones funcionan como centros de anti-anclaje que repelen a losvórtices. 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 centrosde anclaje. En ambos regímenes se encontraron efectos de conmensuración. En el régimende bajas temperaturas el anclaje de la red se explica por un efecto de enjaulamiento de losvórtices que son repelidos por las inclusiones de V. Se encontró que el anclaje de la redpor enjaulamiento a bajas temperaturas es más eficiente que el producido por efectos deanclaje a altas temperaturas. En las muestras de los capítulos 3, 4 y 5, la geometría (triangular) de ladistribución de los centros de anclaje era coincidente con la geometría de una red devórtices en total ausencia de anclaje. En el capítulo 6 se trabajó con dos películas de Nbcon inclusiones de Níquel (Ni), pero en este caso la distribución de los centros de anclajeartificiales 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 seobservaron claros efectos de conmensuración y una evolución en la movilidad de la reddependiente del campo aplicado que coincide con predicciones obtenidas a partirsimulaciones numéricas. En el caso de la muestra con geometría rectangular no se observóel cambio de régimen en los efectos de conmensuración encontrado anteriormente porotros autores en experimentos de transporte e incluso algunos órdenes parecen haberseperdido. Se concluyó que esto es debido a la distribución azimutal de las corrientesinducidas en las mediciones de susceptibilidad ac, en contraste con la distribuciónunidireccional en los experimentos de transporte. De esta manera se examinaron diversos aspectos vinculados al anclaje de la redde vórtices por centros periódicos submicrométricos, en particular la competencia a bajastemperaturas con el desorden intrínseco, el anclaje por enjaulamiento repulsivo vs fuerzasatractivas y los efectos de la simetría del potencial de anclaje en experimentos desusceptibilidad ac. The use of superconductors in technological applications depends on the controlof parameters such as the critical current, magnetization and magnetic susceptibility. Allthese parameters are strongly linked to the pinning forces the material exerts on thesuperconducting vortices. Additionally, vortices in superconductors subjected to pinningpotentials are analogous to other complex systems of different origin such as chargedensity waves, spin waves, colloids and adsorbed atomic layers on substrates. However,vortices are an ideal framework for studying such systems because of the simplicity tocontrol the variables involved: the elastic constants are modified by varying the magneticfield (relative distance between vortices) and the characteristic lengths that govern theinteraction between vortices and between vortices and pinning centers by modifying thetemperature. For these reasons, the effect of artificial pinning centers on the behavior ofthe vortex lattice in superconducting materials has been the subject of numerous andextensive research over the last decades. In recent years samples containing periodically arranged pinning centers in thescale of nanometers have been obtained. These samples have been subjected to numerousexperiments, and the results contrasted with numerical simulations based on differentmodels. The confluence of scientific and technological interest has made this knowledgearea very active although there are many problems to solve. In this work the dynamics of vortices in different superconducting films obtainedthrough collaborators was studied. All superconducting films studied were Niobium (Nb)films that have intrinsic pinning centers. These pinning centers are randomly distributedand are inevitably generated during the manufacturing process. Additionally, the filmsstudied 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 pinningand artificial periodic pinning, the effect of the different symmetries of the periodicpinning potential (triangular, square, rectangular) and vortex lattice (VL) behavior in thepresence of repulsive or attractive potentials, generated by superconductingheterostructures. Chapter 1 provides an introduction to some theoretical aspects ofsuperconductivity required for the analysis of the studied samples. The measurement techniques used in this work were ac susceptibility and dcmagnetization. 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 intrinsicdefects. Furthermore, it was verified that the critical current of the porous film increasesanomalously when the applied magnetic field generates a vortex density that is an integermultiple of the density of pores. Finally, this commensuration effect was identified withan 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 anddistribution as the pores in the porous film. It was found that in both samples there is acompetition between the artificial and Nb intrinsic pinning potentials. It was concludedthat this competition is responsible for the hysteretic behavior that is observed below across over reduced temperature (about 0.75). A Nb film with a distribution of inclusions similar to the above was studied inchapter 5. In this case the material is a superconductor, Vanadium (V), with a lowercritical temperature than Nb. Thus, at low temperatures, V inclusions behave as antipinningcenters that repel vortices. For temperatures above the V critical temperature andbelow the Nb critical temperature, V inclusions have a metallic behavior and behave aspinning centers. Commensuration effects were found in both regimes. In the low temperature regime VL pinning is explained by caging effect: vorticesare repelled by V. It was found that the pinning of the VL by caging at low temperaturesis more efficient than pinning effects at high temperatures. In samples described in chapters 3, 4 and 5, the symmetry (triangular) of theartificial pinning array was coincident with the symmetry of the VL in the absence ofpinning. In Chapter 6, we worked with two films of Nb with Nickel (Ni) inclusions butin this case the distribution of the artificial pinning centers was square (with latticeconstant 400 nm) and rectangular (lattice constants 400 nm and 600 nm). Clear effects ofcommensuration were observed in the sample with a square array. The field dependenceof 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 ofcommensuration were not periodic in field as expected from transport experimentspreviously reported, and some orders appear to be lost. It was concluded that this behavioris related to the azimuthal distribution of induced currents in ac susceptibilitymeasurements, in contrast to the unidirectional distribution of current in transportexperiments. Thus, various aspects of vortex dynamics related to submicron artificial periodicpinning, particularly the low temperature competition with intrinsic disorder, the effectof repulsive vs attractive forces and the effects of the symmetry of the pinning potentialin ac susceptibility experiments have been examined in this work. Fil: Chiliotte, Claudio Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2015-06-11 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion application/pdf spa info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5782_Chiliotte

Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas

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