Vortex Dynamics in Superconducting Thin Films under Microwave Fields

Abstract

In this thesis we have studied the vortex dynamics in type-2 superconducting thin films made of La1.82Sr0.18CuO4, patterned Pb and MgB2, by means of the combination of microwave, dc and ac measurements. In particular, we explore first the magnetic moment response in real time under continuous and pulsed microwave mode, and second commensurability effects both in presence of microwave fields under ac susceptibility mode and using microwave reflection spectrometry.

To carry out these measurements, we have designed and developed a low-temperature microwave setup to be used inside of an rf-SQUID-based magnetometer. This layout has been used to perform measurements under different microwave modes, namely sweeping, pulsed and power reflected. A theoretical model has been proposed to obtain an estimation of the characteristic frequencies and the electric and magnetic fields of the resonant structure formed by a multi-turn coil with a sample loaded in its core.

We presents the results on vortex dynamics of superconducting thin films made of La1.82Sr0.18CuO4, patterned Pb and MgB2 under continuous and pulsed microwave modes. In the first set of experiments, the temporal- and frequency-dependent magnetic moment has been investigated at different values of the temperature, dc magnetic fields, and nominal microwave power in the three samples. Irregularities forming ripples, small steps, jumps and negative peaks at discrete frequency values under different thermodynamics variables (temperature and dc magnetic field) and microwave nominal powers have registered. The presence of these frequency-triggered anomalies has been interpreted as nucleation of instabilities in the propagation of the flux front and explained by considering the energy fed at some specific resonant modes, the vortex dynamics in thin-film geometry, and the contribution from the microwave electric and magnetic fields generated in the coil. In the second set of experiments, the temporal evolution of the sample magnetization has been recorded when single microwave pulses are applied at fixed values of temperature, dc magnetic fields, pulse duration and nominal power in the La1.82Sr0.18CuO4, and MgB2 samples. The onset of a significant variation in the sample magnetization which exists below threshold values of temperature, dc magnetic field, and pulse duration is interpreted as an avalanche-like flux penetration. The microwave fields are suggested to contribute to the nucleation of the fast vortex diffusion. The additional microwave electric field is surmised to guarantees the occurrence vortex instabilities under adiabatic conditions via the enhancement of the flux flow resistivity.

We expose results obtained for patterned Pb under ac susceptibility and microwave power reflection techniques. The in-phase and out-of-phase components of the ac susceptibility are measured under the combination of crossed dc and microwave magnetic fields at different fixed values of microwave power and frequency for temperature close to Tc. The results show that commensurability effects are strongly dependent on the values of the frequency and nominal power of the microwave radiation. The magnetic field dependence of the microwave backward reflection coefficient is studied in a wide range of temperature (from 6.80 K to 7.20 K) at different fixed microwave resonant modes and powers. Commensurability effects related to the matching of the vortex lattice parameter and the antidot array spacing at integer and fractional matching field values have been observed as peaks in the magnetic field dependence of the microwave backward reflection coefficient for different values of temperature, frequency and power. These peaks appear as a result of the contribution of the vortex dynamics to the reflected signal a the matching fields and their observation depends on the values of the microwave power supplied to the sample.

L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar la dinàmica de vòrtexs en diverses capes primes superconductores de tipus-2. En particular, explorem la resposta del moment magnètic en temps real a camps continus i polsats de microones. A més, estudiem els efectes de commensurabilitat mitjançant mesures de susceptibilitat magnètica en presència de camps de microones, i fent servir també espectrometria de reflexió de microones.

Les mostres utilitzades en aquesta tesis són mostres de capes primes superconductores fetes de LaSrCuO, Pb amb una formació periòdica micro-forats o antidots i MgB2. Les mesures dels moments magnètics, de la magnetització en funció del temps i de la susceptibilitat magnètica es van realitzar amb un magnetòmetre MPMS basat en un dispositiu rf-SQUID. Per realitzar mesures de microones a baixes temperatures, es va dissenyar una sonda formada per un cable coaxial semi-rígid el qual acaba en una bobina de múltiples voltes amb la mostra localitzada al seu nucli (CS). Per caracteritzar l’estructura ressonant formada pel CS, s’ha proposat un model teòric basat en el ressonador helicoïdal.

L’estudi de la dinàmica de vòrtexs sota l’escombrat de freqüència es va dur a terme en les tres mostres esmentades anteriorment. La relaxació monòtona és interrompuda per la presència d’irregularitats en forma de salts, pics negatius, ondulacions i petits passos. Aquestes anomalies apareixen a cert valors de la freqüència de microones i a diferents valors de les variables termodinàmiques (temperatura i camp magnètic continu) i dels paràmetres d’excitació de microones (potència i freqüència). La presència d’irregularitats en la resposta del moment magnètic en funció de la freqüència apareix determinada per la freqüència ressonant del CS. Altres aspectes que poden afavorir l’aparició d’aquestes irregularitats són la geometria de la capa fina i la contribució dels camps elèctrics i magnètics de microones. Aquests últims resulten significatius a la vora de la regió mostra-bobina i poden ajudar a activar inestabilitats termo-electromagnètiques dels vòrtexs. Particularment, la contribució del camp elèctric pot facilitar el desenvolupament d’aquesta mena d’inestabilitat en condicions adiabàtiques.

El registre de la variació temporal de la magnetització sota la influència d’un pols de microones es va dur a terme en las mostres LaSrCuO i MgB2. Les corbes d’evolució temporal de la variació de la magnetització mostren clarament un règim de ràpida difusió dels vòrtexs. Aquest règims existeixen dins d’un marge de valors del camp magnètic continu, la temperatura, i la durada del pols. A més, aquestes corbes presenten valors de màxima difusió en funció d’aquests mateixos paràmetres. La presència d’aquestes inestabilitats disparades pels pols sembla que resulten de la contribució dels camps elèctrics i magnètics de microones i de la geometria de capa prima.

Les mesures dels components de la susceptibilitat magnètica en funció del camp magnètic continu irradiat amb diferents valors de potència i freqüència de microones mostren els característics efectes de commensurabilitat per a múltiples enters i fraccionaris dels camps de coincidència (matching). Les corbes a diferents valors de freqüència i potència mostra que l’augment de qualsevol d’aquest dos paràmetres resulta en la reducció de l’apantallament i l’increment de la dissipació. Aquest efecte va ser confirmat realitzant mesures de les components de la susceptibilitat magnètica en funció de la potència als diferents valors de la freqüència de microones.

Les corbes del mòdul del coeficient de reflexió de microones en funció del camp magnètic continu a una potència i freqüència de microones fixes, mesurades a diferents valors de temperatura, mostren clarament els efectes de commensurabilitat. L’empremta d’aquest efecte es mostra en forma de pics a valors enters i fraccionaris dels camps de coincidència. L’observació dels pics a les corbes del coeficient de reflexió apareix com a resultat de la contribució de la dinàmica de vòrtexs al senyal reflectit als camps de coincidència. La presència d’aquest pics es pot explicar considerant els conceptes de la conductivitat complexa del model de dos fluids, la longitud de penetració de London i les forces que descriuen la dinàmica de vòrtexs en l’equació de balanç fenomenològic. Les limitacions tèrmiques de la sonda experimental han estat testades fent mesures del coeficient de reflexió en funció del camp magnètic continu a diferents valors de la potència de microones, per a valors fixos de temperatura.