Josephson Junctions with Ferromagnetic Alloy Interlayer

Himmel geb. Ruppelt, Nico

Josephson junctions are used as active devices in superconducting electronics and quantum information technology. Outstanding properties are their distinct non-linear electrical characteristics and a usually sinusoidal relation between the current and the superconducting phase difference across the junction. In general the insertion of ferromagnetic material in the barrier of a Josephson junction is associated with a suppression of superconducting correlations. But also new phenomena can arise which may allow new circuit layouts and enhance the performance of applications. This thesis presents a systematic investigation for two concepts to fabricate Josephson junctions with a rather uncommon negative critical current. Such devices exhibit an intrinsic phase slip of Pi between the electrodes, so they are also known as Pi-junctions. Both studies go well beyond existing experiments and in one system a Pi-junction is shown for the first time. All the thin film junctions are based on superconducting Nb electrodes. In a first approach, barriers made from Si and Fe were investigated with respect to the realisation of Pi-junctions by spin-flip processes. The distribution of Fe in the Si matrix was varied from pure layers to disperse compounds. The systematic fabrication of alloy barriers was facilitated by the development of a novel timing-based combinatorial sputtering technique for planetary deposition systems. An orthogonal gradient approach allowed to create binary layer libraries with independent variations of thickness and composition. Second, Nb | AlOx | Nb | Ni60Cu40 | Nb (SIsFS) double barrier junctions were experimentally studied for the occurrence of proximity effect induced order parameter oscillations. Detailed dependencies of the critical current density on the thickness of s-layer and F-layer were acquired and show a remarkable agreement to existing theoretical predictions. Especially a variation of jc and IcRn by the s-layer thickness up to the value of nonmagnetic SIS junctions is notable. Additionally information on the emergence of superconductivity with the s-layer thickness was acquired.

Josephson Kontakte werden als aktive Bauelemente in supraleitender Elektronikschaltungen und in ersten Versuchen zur Quanten-Informationsverarbeitung eingesetzt. Besondere Eigenschaften sind hierbei ihre hochgradig nicht lineare elektrische Charakteristik und eine meist sinusförmige Beziehung zwischen dem Strom und der Supraleitenden Phasendifferenz über dem Kontakt. Allgemein führt das Einbringen eines Ferromagneten in die Barriere eines Josephson Kontakts zu einer Reduktion der supraleitenden Korrelationen. Allerdings können dadurch auch neue Effekte auftreten, die neue Schaltkreislayouts ermöglichen oder die Leistungsfähigkeiten von Anwendungen erhöhen könnten. In dieser Thesis werden zwei Ansätze, um Josephson Kontakte mit einem ungewöhnlichen negativen kritischen Strom herzustellen, systematisch untersucht. Diese Bauteile zeichnen sich durch einen intrinsischen Phasensprung von Pi zwischen den Elektroden aus, daher sind sie auch als Pi-Kontakte bekannt. Beide Untersuchungen gehen deutlich über bestehende Experimente hinaus und in einem System wurde zum ersten Mal ein Pi-Kontakt nachgewiesen. Sämtliche Dünnschichtkontakte basieren auf supraleitenden Nb Elektroden. In einem ersten Ansatz wurden Barrieren aus Si und Fe hergestellt und im Hinblick auf das Auftreten von Pi-Kontakten durch Spin-Flip Prozesse untersucht. Dabei wurde die Verteilung von Fe in einer Si Matrix von reinen Schichten bis zu homogen gemischten Verbindungen variiert. Um die systematische Herstellung von Barrieren aus Legierungen zu erleichtern, wurde eine neuen Zeit-basierte kombinatorische Sputtertechnik für Planetenartige Depositionssysteme entwickelt. Ein orthogonales Gradienten Verfahren ermöglichte die Herstellung von binären Schicht-Bibliotheken in denen die Schichtstärke und -zusammensetzung unabhängig voneinander variiert. In einem zweiten Ansatz wurden Nb | AlOx | Nb | Ni60Cu40 | Nb (SIsFS) Doppel-Barrieren-Kontakte experimentell im Hinblick auf Proximityeffekt bedingte Ordnungsparameter-Oszillationen untersucht. Fein aufgelöste Abhängigkeiten der kritischen Stromdichte vom der Dicke der s-Schicht und F-Schicht wurden aufgenommen und Sie zeigen eine nennenswerte Übereinstimmung zu bestehenden theoretischen Vorhersagen. Besonders die Variation von jc und IcRn bedingt durch die s-Schicht Dicke, bis hin zu den Werten für nichtmagnetische SIS Kontakte, ist bemerkenswert. Zusätzlich wurden Informationen über das Erscheinen der Supraleitung mit der s-Schicht Dicke gewonnen.

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Himmel geb. Ruppelt, Nico: Josephson Junctions with Ferromagnetic Alloy Interlayer.

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