Controlling Vortex Pinning and Dynamics of Nanostructured YBCO Thin Films Grown by Chemical Solution Deposition

Abstract

Desde el descubrimiento de los Superconductores de Alta Temperatura (SCAT), se ha realizado un gran esfuerzo con tal de optimizar las propiedades eléctricas de estos materiales. A diferencia de los Superconductores convencionales de Baja Temperatura (SCBT), algunos de los SCAT son capaces de alcanzar el estado superconductor a la temperatura de ebullición del nitrógeno (77K) haciéndolos mucho más atractivos en cuanto a aplicaciones tecnológicas dados los reducidos costes de operación. Una de las principales aplicaciones de los SCAT es el transporte eléctrico. La ausencia de resistencia eléctrica de estos materiales cuando están por debajo de su temperatura crítica, Tc, hacen que puedan transportar hasta 10 veces más de potencia que los cables convencionales, o proporcionar una misma potencia con niveles muy inferiores de voltaje. Por otro lado, los SCAT han sido profundamente estudiados en el ámbito de la electrónica. En particular, nanohilos de SCAT pueden ser escalados a tamaños menores debido a sus pequeñas longitudes intrínsecas. Además, sus rápidos coeficientes de relajación permiten altos niveles de adquisición en experimentos de fotodetección cuando éstos son comparados con SCBT. No obstante, una de las características más importantes en el estudio de los SCAT es la presencia de líneas de flujo magnético cuantificadas, denominadas vórtices, en su diagrama de fase. Su mayor diferencia con respecto a los SCBT surge cuando se tienen en cuenta las altas excitaciones térmicas. Como consecuencia, una gran variedad de defectos de anclaje son necesarios con la finalidad de evitar (o controlar) la dinámica de los vórtices y por lo tanto, la disipación eléctrica resultante. El control del anclaje y la dinámica de los vórtices es la finalidad de esta tesis donde los principales resultados están presentados en los capítulos 3, 4 y 5. Previamente, en el capítulo 1 presentamos las principales propiedades superconductoras y en particular, las referidas al comportamiento de los vórtices en muestras de YBa2Cu3O7-x (YBCO -superconductor con el más amplio rango de operación-) crecidas por el método de deposición de soluciones químicas (DSQ). En el capítulo 2 exponemos las técnicas experimentales utilizadas así como los procedimientos de medida. En el capítulo 3, un gran análisis sobre el anclaje de vórtices es presentado. Un fenómeno sin precedentes en el anclaje de vórtices es demostrado el cual permite mejorar la densidad de corriente crítica y su anisotropía en presencia de fases secundarias no-superconductoras dentro de la matriz de YBCO. Además, un análisis de la dinámica de los vórtices con respecto a los defectos naturales de muestras de YBCO-DSQ es expuesto. En los capítulos 4 y 5 nos focalizamos en el control de la dinámica de los vórtices en capas finas de YBCO. En el capítulo 4 demostramos un sentido preferencial para el movimiento de los vórtices cuando nanoestructuras asimétricas son diseñadas en la capa de YBCO. Como consecuencia, una rectificación AC-DC es obtenida. En el capítulo 5, los estudios están centrados en la interacción entre materiales superconductores y ferromagnéticos. Se demuestra como introduciendo nanocilindros ferromagnéticos dentro de la matriz del YBCO, un enorme control sobre la densidad de corriente crítica es posible en función del estado magnético de los nanocilindros. Las conclusiones generales están expuestas y resumidas en el último capítulo. Finalmente, el procedimiento analítico utilizado en una simulación teórica presentada en el capítulo 5 es explicado en el apéndice.

Since the discovery of High-Temperature Superconductors (HTS) a huge effort has been devoted in order to optimize the electric power properties of these materials. As a difference from conventional Low-Temperature Superconductors (LTS), some HTS are able to achieve the superconducting state at the boiling point of nitrogen (77K), making these materials much more attractive for technological applications due to their reduced operating costs. One of the main applications of HTS is the electrical transport. Due to the zero electrical resistance of these materials when they are below the critical temperature, Tc, they can transmit up to 10 times more power than conventional cables or can carry equivalent power at much lower voltages. On the other hand, HTS materials have been deeply studied in the field of electronics. In particular, HTS nanowires can be functionally scaled to smaller sizes due to their extremely short intrinsic lengths. Furthermore, their characteristic fast relaxation rates offer higher counting rates in photodetection experiments when compared to LTS. However, one of the most important issues to take into account in the study of HTS, is the presence of quantified magnetic flux lines, referred as vortex, into their phase diagram. The main difference from LTS concerning the vortex behavior arises from the high thermal excitations. Consequently a great variety of different pinning centers are needed in order to avoid (or control) the vortex dynamics and therefore, the resulting electrical dissipation. Controlling vortex pinning and dynamics is the aim of this thesis where the main results are presented in chapters 3, 4 and 5. Previously, in chapter 1 we present the main superconducting properties, and in particular, the regarding to vortex behavior in YBa2Cu3O7-x (YBCO -HTS with the widest operating range-) samples grown following the Chemical Solution Deposition (CSD) technique. In chapter 2 we show the experimental techniques used in our analysis and the measurement procedure. In chapter 3, a huge analysis of vortex pinning is presented. An unprecedented phenomenon for vortex pinning is demonstrated which allows improving the critical current density and its anisotropy in the presence of non-superconducting secondary phases into the YBCO matrix. Furthermore, an analysis of the vortex dynamics with YBCO-CSD natural defects is performed. In chapters 4 and 5 we have focused in controlling vortex dynamics in YBCO thin films. In chapter 4 a preferential sense for the vortex movement is demonstrated when asymmetric nanostructures are patterned in the YBCO layer. Consequently, a controlled AC-DC rectification is obtained. In chapter 5, the studies are centered in the interaction between superconducting and ferromagnetic materials. It is demonstrated that by inserting ferromagnetic nanorods into the YBCO matrix, a huge control of the critical current density is possible as a function of the magnetic state of the nanorod. General conclusions of the thesis are presented and summarized in the last chapter. Finally, the analytical procedure used in a theoretical simulation presented in chapter 5 is exposed in the appendix.