Estudio energético de redes de vórtices nanoestructuradas en YBa2Cu3O7 mediante decoración magnética

Abstract

Los esfuerzos por realizar nuevos descubrimientos en el campo de la superconductividad están motivados por una imperiosa necesidad de su aplicación en el día a día.[1-7] En este sentido, la fabricación de cables superconductores de grandes dimensiones ha sido posible gracias a la inclusión de resultados obtenidos en laboratorios trabajando con sistemas modélicos,[8-12] donde los objetivos se centran en la mejora de las prestaciones del YBa2Cu3O7, uno de los materiales con mejores resultados en aplicación. La inhibición del movimiento colectivo de la red de vórtices, efecto generador de la disipación de energía en cables superconductores, ha sido uno de los frentes más atacados para la optimización de resultados. La estructuración de la red de vórtices por parte de defectos en el material es un muy buen indicador de la interacción presente entre vórtices y defectos, interacción necesaria para la inhibición del movimiento de la red de vórtices y por consiguiente para la mejora de las prestaciones de los materiales superconductores. Sin embargo las técnicas para la evaluación de los resultados obtenidos trabajan con la respuesta colectiva de la red[13,14] obteniendo resultados que no permiten discernir fácilmente entre los diferentes aportes a la inhibición de movimiento de la red de vórtices.

En este marco, el trabajo de tesis aquí plasmado estudia la estructuración de la red de vórtices debido a la presencia de defectos, permitiendo una comparación cuantitativa entre defectos de diferente naturaleza. Dicho análisis se centra en la respuesta del YBa2Cu3O7 ante la presencia de defectos artificiales superficiales capaces de mejorar las propiedades del material superconductor. El estudio se lleva a cabo visualizando la red de vórtices mediante la técnica de decoración magnética en sistemas modélicos (monocristales y películas de YBa2Cu3O7 crecidos respectivamente por los métodos de flujo y de epitaxialidad en fase líquida sobre sustratos de MgO). Los defectos artificiales estudiados son generado por dos técnicas diferentes, la irradiación con haz de iones focalizado y la indentación a escala nanométrica.

Para la realización de dicho estudio primeramente se lleva a cabo el montaje y puesta a punto de la técnica de visualización empleada, la decoración magnética. Luego, a partir de los resultados de visualización de la red de vórtices obtenidos, se genera un modelo para la estimación de energías asociadas a la red. Este modelo permite discernir la contribución a la inhibición del movimiento de la red por parte de diferentes tipos de defectos, comparando por primera vez de manera cuantitativa resultados de este tipo. Finalmente se realiza el modelado de sistemas virtuales, lo que permite estimar propiedades de los defectos a partir de una comparación directa entre sistemas de vórtices reales y artificiales.

Notamos que este trabajo demuestra avances en tres frentes importantes. Por un lado hemos puesto en marcha una técnica de visualización de dominios magnéticos (aplicada aquí exclusivamente al estudio de vórtices en materiales superconductores). Esta técnica está presente solo en media docena de laboratorios en el mundo. Por otra parte hemos generado una herramienta de fácil aplicación para el estudio cuantitativo de las energías asociadas al anclaje de vórtices (modelo para la determinación de energías en la red de vórtices). La misma ha demostrado ser muy dócil en cuanto a ámbito de aplicación se refiere, permitiendo trabajar en diferentes materiales observados por decoración y demostrando sus posibilidades trabajando incluso en sistemas artificialmente generados. Las hipótesis consideradas para la generación de este modelo fueron comprobadas mediante el modelado de sistemas virtuales, afianzando dicho modelo energético y permitiendo a su vez caracterizar los defectos artificiales generados en el propio material YBa2Cu3O7. Por último se realizó un avance muy importante en relación a la naturaleza de los centros de anclaje de vórtice artificiales, logrando comparar de manera cuantitativa las fuerzas de anclaje asociadas a las diferentes técnicas empleadas en la generación de los mismos. Dicho análisis, realizado precisamente en YBa2Cu3O7, es extensible al ámbito de cintas superconductoras o dispositivos electrónicos, entre otros.

Mostramos aquí un trabajo que nace de la necesidad de un estudio comparativo claro entre resultados de interacción vórtice-defecto asociados a diferentes tipos de defectos. Un trabajo que involucra desde la construcción y puesta en marcha del sistema empleado para la obtención de resultados hasta el análisis de los mismos generando herramientas para tal efecto, incluyendo un estudio final mediante el modelado virtual de los propios sistemas medidos experimentalmente. Un trabajo que demostramos es, tanto en parte como en conjunto, de fácil aplicación al estudio de materiales superconductores; innovando en el análisis de resultados propuesto así como aportando una nueva técnica al laboratorio.

[1] T. G. Holesinger, L. Civale, B. Maiorov, D. M. Feldmann, J. Y. Coulter, D. J. Miller, V. A. Maroni, Z. Chen, D. C. Larbalestier, R. Feenstra, X. Li, Y. Huang, T. Kodenkandath, W. Zhang, M. W. Rupich y A. P. Malozemoff, Advanced Materials, 20, 391 (2008). [2] S. R. Foltyn, L. Civale, J. L. MacManus-Driscoll, Q. X. Jia, B. Maiorov, H. Wang y M. Maley, Nature Materials, 6, 631 (2007). [3] Y. Iijima, N. Tanabe, O. Kohno y Y. Ikeno, Appl. Phys. Lett., 60, 769 (1992). [4] X. D. Wu, S. R. Foltyn, P. Arendt, J. Townsend, C. Adams, I. H. Campbell, P. Tiwari, Y. Coulter y D. E. Peterson, Appl. Phys. Lett., 65, 1961 (1994). [5] D. P. Norton, A. Goyal, J. D. Budai, D. K. Christen, D. M. Kroeger, E. D. Specht, Q. He, B. Saffian, M. Paranthaman, C. E. Klabunde, D. F. Lee, B. C. Sales y F. A. List, Science, 274, 755 (1996). [6] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, R. Kawamura, H. Yanagi, T. Kamiya y H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 128, 10012 (2006). [7] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano y H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 130, 3296 (2008). [8] N. Roma, S. Morlens, S. Ricart, K. Zalamova, J. M. Moreto, A. Pomar, T. Puig y X. Obradors, Superconductor Science and Technology, 19, 521 (2006). [9] S. Morlens, N. Romá, S. Ricart, A. Pomar, T. Puig y X. Obradors, Journal of Materials Research, 22, 2330 (2007). [10] A. Hassini, A. Pomar, C. Moreno, A. Ruyter, N. Roma, T. Puig y X. Obradors, Physica C: Superconductivity, 460-462, 1357 (2007). [11] M. Gibert, T. Puig y X. Obradors, Surface Science, 601, 2680 (2007). [12] J. Gutierrez, A. Llordés, J. Gázquez, M. Gibert, N. Romà, S. Ricart, A. Pomar, F. Sandiumenge, N. Mestres, T. Puig y X. Obradors, Nature Materials, 6, 367 (2007). [13] J. Gutierrez, T. Puig y X. Obradors, Applied Physics Letters, 90, 162514 (2007). [14] A. Palau, T. Puig, X. Obradors y C. Jooss, Phys. Rev. B, 75, 054517 (2007).

Efforts in superconductivity for new discoveries are pushed up for a vital necessity of application.[1-7] It is know that construction of long superconductor cables have been able due to application of results obtained in lab experiments using YBa2Cu3O7 model systems,[8-12] superconductor material with the best performance. Vortex pinning has been the hot topic for improve superconductor properties, since this effect is the one that produce loose of energy. Vortex lattice structured due to material defects presence point out a vortex-defect interaction necessary for a good vortex pinning and, in consequence, an improvement of superconductor properties. However, evaluation techniques typically used work with the collective behavior of the vortex lattice,[13, 14] with results that barely allow to separate individual contributions from different interactions.

This thesis is focused on the vortex lattice structured analysis due to defect presence, allowing a quantitative comparison between different kinds of defects. The analysis is based on the YBa2Cu3O7 flux line lattice behavior in direct interaction with surface artificial defects that can improve superconductor properties of the material. The study uses the Magnetic Decoration technique for the visualization of the flux line lattice in model systems (single crystals and films of YBa2Cu3O7 growth respectively by flux method and liquid phase ephitaxy on MgO substrates). Artificial defects under study are generated using two different techniques, focused ion beam and indentation at nanometric scale.

For this study, first of all a montage and set up of the magnetic decoration technique is doing. Then a model for flux line lattice energies estimation is developed based on magnetic decoration results. This model allows evaluating separately individual pinning contributions, comparing for the first time results in a quantitative way. Finally a virtual systems modeling is performed, estimating defect properties due to a direct comparison between real and artificial vortex systems.

We point out that this work shows highlights in three different ways. In one hand we have started with a technique for magnetic domains visualization (here used exclusively for vortices in superconductor materials). This technique is present in just a few laboratories all around the world. At the other hand we have generated an easy tool for a quantitative study of pinning energies (model for energy identification at flux line lattice). This tool has been able to work very well at different conditions, giving results for several materials and even for artificially generated vortex systems. Hypothesis considered to the formulation of this model were probed through modeling of virtual systems, supporting the energy model and allowing also defect characterization artificially generated at the YBa2Cu3O7 material. Finally we have carried out an important develop about nature of pinning due to artificial defects, comparing in a quantitative way results associated to different artificial defect generation techniques. This analysis performed in YBa2Cu3O7, is applicable to a broad range of materials as well as topics (e.g. coated conductors, electronic devices, etc.).

Here we show a work based on a simple but strong necessity of a clear comparative study between vortex-defect interactions associated to different kind of defects. A work that involves from construction of experimental technique in use to the generation of a tool for the corresponding result analysis, including a final study modeling virtually the systems of vortices experimentally observed. A work that was shown, in part as well as in a complete route, easily applicable to superconductor materials, developing new analysis routes and also establishing a new technique at the laboratory.

[1] T. G. Holesinger, L. Civale, B. Maiorov, D. M. Feldmann, J. Y. Coulter, D. J. Miller, V. A. Maroni, Z. Chen, D. C. Larbalestier, R. Feenstra, X. Li, Y. Huang, T. Kodenkandath, W. Zhang, M. W. Rupich and A. P. Malozemoff, Advanced Materials, 20, 391 (2008). [2] S. R. Foltyn, L. Civale, J. L. MacManus-Driscoll, Q. X. Jia, B. Maiorov, H. Wang and M. Maley, Nature Materials, 6, 631 (2007). [3] Y. Iijima, N. Tanabe, O. Kohno and Y. Ikeno, Appl. Phys. Lett., 60, 769 (1992). [4] X. D. Wu, S. R. Foltyn, P. Arendt, J. Townsend, C. Adams, I. H. Campbell, P. Tiwari, Y. Coulter and D. E. Peterson, Appl. Phys. Lett., 65, 1961 (1994). [5] D. P. Norton, A. Goyal, J. D. Budai, D. K. Christen, D. M. Kroeger, E. D. Specht, Q. He, B. Saffian, M. Paranthaman, C. E. Klabunde, D. F. Lee, B. C. Sales and F. A. List, Science, 274, 755 (1996). [6] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, R. Kawamura, H. Yanagi, T. Kamiya and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 128, 10012 (2006). [7] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 130, 3296 (2008). [8] N. Roma, S. Morlens, S. Ricart, K. Zalamova, J. M. Moreto, A. Pomar, T. Puig and X. Obradors, Superconductor Science and Technology, 19, 521 (2006). [9] S. Morlens, N. Romá, S. Ricart, A. Pomar, T. Puig and X. Obradors, Journal of Materials Research, 22, 2330 (2007). [10] A. Hassini, A. Pomar, C. Moreno, A. Ruyter, N. Roma, T. Puig and X. Obradors, Physica C: Superconductivity, 460-462, 1357 (2007). [11] M. Gibert, T. Puig and X. Obradors, Surface Science, 601, 2680 (2007). [12] J. Gutierrez, A. Llordés, J. Gázquez, M. Gibert, N. Romà, S. Ricart, A. Pomar, F. Sandiumenge, N. Mestres, T. Puig and X. Obradors, Nature Materials, 6, 367 (2007). [13] J. Gutierrez, T. Puig and X. Obradors, Applied Physics Letters, 90, 162514 (2007). [14] A. Palau, T. Puig, X. Obradors and C. Jooss, Phys. Rev. B, 75, 054517 (2007).