Effecten ten gevolge van kwantum inperking in nanoschaal supergeleiders: van elektronische toestandsdichtheid tot vortex materie

Datum: 19 mei 2015

Locatie: UAntwerpen, Campus Groenenborger, U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Promovendus: Lingfeng Zhang

Promotor: Fran├žois Peeters - Lucian Covaci

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Lingfeng Zhang - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Nanoschaal supergeleiding vertoont, als gevolg van de inperking, een veel uitgebreidere reeks van verschijnselen dan bulk supergeleiding. Dit zal ons toelaten om artificieel de elektronische eigenschappen te manipuleren door de grootte, vorm en structuur van de supergeleider te veranderen, wat leidt tot de controle en verhoging van de supergeleidende toestand. Het biedt een groot potentieël voor toepassingen in ultrasnelle, energie-besparende elektronische apparaten zoals supergeleidende transistoren en enkel-foton detectoren. De interactie tussen supergeleiding en quantum inperking is nog niet volledig begrepen.

In dit proefschrift hebben we theoretisch onderzoek verricht over de verschillende aspecten van nanoschaal supergeleiding en dit door het zelf-consistent oplossen van de Bogoliubov-de Gennes vergelijkingen. De onderwerpen handelen over vortextoestanden onder de invloed van quantum opsluiting tot de elektronische structuur in verschillende nanostructuren. De toestandsdichtheid verkregen in dit proefschrift kan worden vergeleken met de resultaten van STM / STS-experimenten.

In hoofdstuk 3 onderzochten we vortextoestanden onder de invloed van quantum inperking in nanoschaal supergeleiders. We vonden dat nanoschaal supergeleiders met coherentielengte vergelijkbaar met de Fermi golflengte, dat de vorm resonanties in de ordeparameter resulteert in een extra bijdrage tot de kwantumtopologische inperking – en dit resulteer in onconventionele vortex configuraties. Onze resultaten voor een vierkante geometrie in de quantum limiet onthullen een overvloed aan asymmetrische, multi-vortex, en vortex-antivortex structuren die stabiel zijn over een breed parameter gebied en welke zeer verschillend zijn van die voorspeld door de Ginzburg-Landau theorie. Experimenteel kunnen deze toestanden worden onderzocht via STM metingen.

Additioneel, concurrerende interacties in de quantum limiet voor de gebonden toestanden zijn verschillend van die van de vortices, waardoor het conventionele beeld van een vortex gebonden aan de laagste energie toestanden niet meer opgaat. In de plaats voorspellen wij dat de maxima in de LDOS van de laagste energietoestanden zullen worden waargenomen tussen de vortices en in de buurt van oppervlakken. Deze bijzondere verschijnselen zijn een gevolg van de sterke quantum inperking, welke ruimtelijke oscillaties induceert in de ordeparameter. Tenslotte hebben we voorspeld dat een systeem bestaande uit een grafeenvlok in contact met een supergeleidende film een goede kandidaat kan zijn om deze nieuwe vortextoestanden experimenteel waar te nemen.

In hoofdstuk 4 onderzochten we de vortextoestanden in een nanoschaal supergeleidende vierkant van verschillende afmetingen , verschillende parameter , en temperatuur . Deze studie is een uitbreiding van hoofdstuk 3. We vonden dat het inhomogene patroon van de ordeparameter zoals geïnduceerd door de quantum inperking een extra bijdrage geeft aan concurrerende effecten die de vortex configuraties bepalen. Vanwege deze reden, werden er unconventionele vortextoestanden gevonden zoals asymmetrische, rand-parallelle en vortex-antivortex toestanden. Deze waren nooit eerder gevonden in de Ginzburg-Landau benadering. Sinds de inhomogene patronen van de ordeparameter sterk afhankelijk zijn van de waarde van  en de grootte , vonden we dat de vortex grondtoestanden en de magnetische veld waarden van de fase-overgang zeer gevoelig zijn voor veranderingen in deze parameters. Uiteindelijk vonden we dat, in de quantum limiet, nano-schaal supergeleiders een voorkeur hebben voor vortex-antivortex moleculen terwijl multi vortextoestanden ongunstig zijn. Dit kan worden gebruikt om experimenteel de antivortex te observeren.

In hoofdstuk 5  hebben we het effect van niet-magnetische verontreinigingen op de lokale toestandsdichtheid bestudeerd en de transporteigenschappen in supergeleidende nanodraden met diameter vergelijkbaar met de Fermi golflengte  (die kleiner is dan de supergeleidende coherentielengte). Dergelijke verontreinigingen hebben weinig effect op de bulk eigenschappen van conventionele supergeleiders. Aangezien de dimensionaliteit gereduceerd is, zal het effect van onzuiverheden meer significant zijn. Door de BdG theorie toe te passen voor het materiaal NbSe2, ontdekken we verschillende regimes waarin de onzuiverheden een invloed hebben op de supergeleidende eigenschappen van de nanodraad en dit op verschillende manieren. Eerst, naargelang de nanodraad in het resonant of niet-resonant regime bevindt, zal de ordeparameter respectievelijk een langzaam of snel oscillerend gedrag vertonen weg van de onzuiverheid. Dit komt door de verschillende aard van de quasi-deeltjes die betrokken zijn bij de vorming van de Cooper paren, dat wil zeggen, klein of groot momentum. Bovendien, de onzuiverheid heeft een sterk positie-afhankelijke effect op de Josephson kritische stroom met tegengestelde gedrag in de resonante en niet-resonantie gevallen. Deze effecten kunnen worden gebruikt om de aard van het supergeleidende condensaat en de verstrooiing van de verschillende subbanden aan de onzuiverheid te onderzoeken.

In hoofdstuk 6 hebben we het Tomasch effect onderzocht op de elektronische structuur van nanoschaal supergeleiders. Het Tomasch effect is te wijten aan de interferentie van quasi-deeltjes zoals veroorzaakt door een niet-uniforme supergeleidende ordeparameter, dat resulteert in oscillaties in de toestandsdichtheid bij energieën boven de supergeleidende kloof. Hier wordt het Tomasch effect veroorzaakt door een inhomogene ordeparameter die een gevolg is van kwantum opsluiting. We vonden dat het Tomasch effect ontaarde elektron en holde toestanden boven de supergeleidende kloof met elkaar koppelt, dat leidt tot extra paren van BCS-achtige Bogoliubov-quasideeltjes. Wanneer de energieën van de gepaarde toestanden ver van het Fermi niveau liggen, vertonen de paartoestanden pseudo-gap-achtige structuren in de DOS. Wanneer zij dicht bij het Fermi-niveau liggen, resulteren de paartoestanden in gemoduleerde golf patronen in de lokale toestandsdichtheid. Al deze effecten zijn te wijten aan de inter-subband elektron-gat koppeling.

Het Tomasch effect is sterk gerelateerd aan de geometrische symmetrie van het systeem en de symmetrie, pariteit en ruimtelijke variatie van de ordeparameter. Voor de nanoband, leidt het Tomasch effect slechts tot twee subband quasideeltjes interferentie processen. Voor een nanodraad, resulteert het ook in drie subband quasideeltjes interferentie processen die leiden tot een unieke energie bandstructuur. De studie van het Tomasch effect kan ons helpen om inzicht te krijgen hoe de inhomogene ordeparameter een invloed heeft op de quasideeltjes toestanden.