Pérez, Diego J. (2015) Diseño e implementación de MEMS para mediciones de transiciones de fase en sistemas de vórtices superconductores con desorden. / MEMS devices design and its implementation in phase transition measurements in systems of superconducting vortices with disorder. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
![[img]](/style/images/fileicons/application_pdf.png)
| PDF (Tesis) Disponible bajo licencia Creative Commons: Reconocimiento - No comercial - Compartir igual. Español 5Mb |
Resumen en español
La presente tesis describe el estudio experimental del efecto de potenciales correlacionados desordenados en muestras mesoscópicas del superconductor YBa_2Cu_3O_7δ (YBCO). Para realizar estas medidas usamos la técnica de magnetometría de torque de alta sensibilidad implementando dispositivos micro-maquinados de Silicio (MEMS). La existencia de vórtices en superconductores de alta temperatura en un rango amplio de temperaturas y campos magnéticos, sujetos a fluctuaciones térmicas y a potenciales de desorden, hace que el estudio de los mismos sea de gran importancia. Distintas fases de sólidos y líquido de vórtices han sido observadas en la estructura de vórtices en donde el sólido puede ser, según el tipo de defectos con el cual los vórtices interactúan, un cristal o un vidrio. La presencia de defectos correlacionados en una dirección, tales como defectos columnares o maclas, da lugar a la existencia de una transición de fase de segundo orden a una temperatura T* < T_c desde un sólido vidrioso (denominado vidrio de Bose) al líquido de vórtices. Para el estudio de la respuesta magnética de muestras de YBCO con una sola familia de maclas hemos diseñado, fabricado y caracterizado micro-magnetómetros con distintas sensibilidades y rangos de operación. La magnetometría de torque resulta ser un herramienta efectiva para reflejar las características termodinámicas de la transición del vidrio de Bose en discos de YBCO de 100 µm de diámetro y 10 µm de espesor. Los sensores torsionales utilizados en esta tesis son similares a los encontrados en la literatura, usados para medir la entrada individual de vórtices en una muestra superconductora o realizando las medidas más precisas reportadas de la fuerza Casimir. Nuestros resultados presentan evidencia experimental de la transición de fase continua, revelando a una temperatura T*, dependiente del ángulo y el campo magnético, la aparición de una magnetización en la dirección transversal. Esta magnetización apantalla la componente perpendicular del campo magnético aplicado. Esto último es conocido como efecto Meissner transversal y constituye la principal predicción de la teoría del vidrio de Bose.
Resumen en inglés
The present thesis describes the experimental study of the effect of correlated potentials in mesoscopic superconducting samples YBa_2Cu_3O_7δ (YBCO). To perform these measurements, we use a high-sensitivity torque magnetometry technique implementing Microelectromechanical systems (MEMS). The existence of vortices in high temperature superconductors in a wide range of temperatures and magnetic fields, in presence of thermal fluctuations and potential of disorder, makes the study of them of great importance. Different vortex solids and vortex liquid phases have been observed in the vortex structure where the solid can be a crystal or a glass, depending on the type of defects with which the vortices interact. The presence of correlated defects in a sample direction, such as columnar or twin boundaries, results in the existence of a second order phase transition at a temperature, T* < Tc from a glassy solid state called Bose glass to the vortex liquid. For the study of the magnetic response of YBCO samples with a single family of twin boundaries, we have designed, fabricated and characterized micromagnetometers with different sensitivities and operating ranges. Torque magnetometry using these devices turns out to be an effective tool to reflect the thermodynamic characteristics of the Bose glass transition in 100um-disk of YBCO.The torsional sensors are similar to those found in the literature, used to measure chage in magnetizations due to individuals vortices within in a superconducting sample or performing the most precise measurements reported of the Casimir force. Our results present thermodynamic evidence of a continue phase transition, revealing at a temperature T*, that dependent on the angle and the magnetic field, the appearance of a magnetization in the transverse direction. This magnetization shields the perpendicular component of the applied field. This is known as a transverse Meissner effect and constitutes the main prediction of the Bose glass theory.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Superconductivity; Superconductividad; Magnetometers; Magnetómetros; Phase transformations; Transformaciones de fase; Vortices; Remolinos |
| Referencias: | [1] J. Moreland, A. Jander, J.A. Beall, P. Kabos, and Stephen E. Russek. Magnetics, IEEE Transactions on, 37:2770–2772, 2001. [2] J. Moreland. J. Phys. D: Appl. Phys., 36, 2003. [3] W. Wernsdorfet, B. Doubin, K. Hasselbach D. Mailly, A. Benoit, J. Meier, J. P. Ansermet, and F. Barbara. Phys Rev Lett, 77:1873, 1996. [4] H. Zijlstra. Review of scientific instruments, 41:1241, 1970. [5] D. E. Farrell, J. P. Rice, D. M. Ginsberg, and J. Z. Liu. Phys. Rev. Lett., 64:1573–1576, 1990. [6] Gyorgy E. M., van Dover R. B., Schneemeyer L. F., White A. E.and O0Bryan H. M., Felder R. J., Waszczak J. V., Rhodes W. W., and Hellman F. Appl. Phys. Lett., 56:2465, 1990. [7] A. A. Zhukov, G. K. Perkins, J. V Thomas, A. D. Caplin, H Küpfer, and T Wolf. Phys. Rev. B, 56:3481, 1997. [8] C. J. van der Beek, M. Konczykowski, L. Fruchter, R. Brusetti, T. Klein, J. Marcus, and C. Marcenat. Phys. Rev. B, 72:214504, 2005. [9] C. A. Bolle, V. Aksyuk, F. Pardo, P. L. Gammel, E. Zeldov, E. Bucher, R. Boie, D. J. Bishop, and D. R. Nelson. Nature, 399:43, 1999. [10] C. Rossel, M. Willemin, A. Gasser, H. Bothuizen, G. I. Meijer, and H. Keller. Rev. Sci. Instrum., 69:3199, 1998. [11] D. López, F. Pardo, C. Bolle, R. S. Decca, and D. Bishop. J. of Low Temperature Physics, 135:51, 2004. [12] P. Papon, J. Leblond, and P.H.E. Meijer. The Physics of Phase Transitions. Concepts and Applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. [13] H. E. Stanley. Introduction to Fase Transitions and Critical Phenomena. International Series of monographs on Physics 1st ed. ( Oxford Science Publications New York-Oxford), 1971. [14] S. A. Grigera. Transiciones de Fase en la red de vórtices de los superconductores de alta temperatura crítica. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC -CNEA, 1999 (unpublished). [15] V. Ginzbug and L. Landau. Zh. Eksperim. i Teor Fiz., 20:1064, 1950. [16] J. Bardeen, L. Cooper, and J. Schiereffer. Physical Review, 108:1175, 1957. [17] A. Abrikosov. Zh. Eksperim. i Teor Fiz., 32:1442, 1957. [18] J. G. Bednorz and K. A. Müller. Z. Phys. B, 64:189, 1986. [19] G. Blatter, M. V. Feigel’man, V. B. Geshkenbein, A. I. Larkin, and V. M Vinokur. Rev. Mod. Phys., 66:1125, 1994. [20] M. Tinkham. Introduction to Superconductivity, International series in pure and applied physics, 2nd ed. McGraw- Hill, New York, 1996. [21] E. Brézin, D. R. Nelson, and A. Thiaville. Phys. Rev. B, 31:7124, 1985. [22] D. R. Nelson. Phys. Rev. Lett., 60:1973, 1988. [23] P. L. Gammel, G. J. Dolan, J. R. Kwo, C. A. Murray, L. F. Schneemeyer, J. Wszczak, and D. J. Bishop. Phys. Rev. Lett., 59:2592, 1987. [24] R. H. Koch, V. Foglietti, W. J. Gallagher, G. Koren, A. Gupta, and M. P. A. Fisher. Phys. Rev. Lett., 63:1511–1514, 1989. [25] P. L. Gammel, L. F. Schneemeyer, and D. J. Bishop. Phys. Rev. Lett., 66:953–956, 1991. [26] H. Safar, P. L. Gammel, D. A. Huse, D. J. Bishop, J. P Rice, and D. M. Ginsberg. Phys. Rev. Lett., 69:824, 1992. [27] H.Pastoriza, M. F. Goffman, A. Arribere, and F. de la Cruz. Phys. Rev. Lett., 72:2951, 1994. [28] A. Schilling, R. A. Fisher, N. E. Phillips, U. Welp, D. Dasgupta, W. K. Kwok, and G. W. Cabtree. Nature, 382:791, 1996. [29] Thomas Nattermann. Phys. Rev. Lett., 64:2454–2457, 1990. [30] Thierry Giamarchi and Pierre Le Doussal. Phys. Rev. Lett., 72:1530–1533, 1994. [31] Thierry Giamarchi and Pierre Le Doussal. Phys. Rev. B, 52:1242–1270, 1995. [32] M. P. A. Fisher. Phys. Rev. Lett., 62:1415–1418, 1989. [33] Daniel S. Fisher, Matthew P. A. Fisher, and David A. Huse. Phys. Rev. B, 43:130–159, 1991. [34] David R. Nelson and V. M. Vinokur. Phys. Rev. Lett., 68:2398–2401, 1992. [35] D. R. Nelson and V. M. Vinokur. Boson localization and correlated pinning of superconducting vortex arrays. Phys Rev. B, 48:13060, 1993. [36] L. Civale, A. D. Marwick, T. K. Worthington, M. A. Kirk, J. R. Thompson, L. Krusin-Elbaum, Y. Sun, J. R. Clem, and F. Holtzberg. Phys. Rev. Lett., 67:648, 1991. [37] W. K Kwok, U Welp, G. W. Crabtree, K. G. Vandervoort, R. Hulschear, and J. Z. Liu. Phys. Rev. Lett., 64:966, 1990. [38] T. K. Worthington, W. J Gallagher, D. L. Kaiser, F. H. Holtzberg, and T. R Dinger. Physica C, 153:32, 1988. [39] Matthew P. A. Fisher, Peter B. Weichman, G. Grinstein, and Daniel S. Fisher. Phys. Rev. B, 40:546–570, 1989. [40] B. A. Maiorov. Transiciones de Fase y Dinámica de vórtices en Y Ba2Cu3O7 con maclas. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2003 (unpublished). [41] E. B. Sonin. Phys. Rev. B, 48:10487–10497, Oct 1993. [42] W. Jiang, N.-C. Yeh, D. S. Reed, U. Kriplani, D. A. Beam, M. Konczykowski, T. A. Tombrello, and F. Holtzberg. Phys. Rev. Lett., 72:550–553, 1994. [43] David R. Nelson and V. M. Vinokur. Phys. Rev. B, 61:5917–5919, 2000. [44] S. A. Grigera, E. Morré, E. Osquiguil, C. Balseiro, G.Ñieva, and F. de la Cruz. Phys. Rev. Lett., 81:2348–2351, 1998. [45] B. Maiorov and E. Osquiguil. Phys. Rev. B, 64:052511, 2001. [46] B. Brown. Phys. Rev. B, 61:3267–3269, 2000. [47] A. W. Smith, H. M. Jaeger, T. F. Rosenbaun, A. M Petrean, W. K Kwok, and G. W. Crabtree. Phys. Rev. Lett, 84:4974, 2000. [48] A. W. Smith, H. M. Jaeger, T. F. Rosenbaun, W. K Kwok, and G. W. Crabtree. Phys. Rev. B, 63:064514, 2001. [49] M. Oussena, P. A. J. de Groot, K. Deligiannis, A. V. Volkozub, R. Gagnon, and L. Taillefer. Phys. Rev. Lett., 76:2559–2562, 1996. [50] M. I. Dolz. Medición de superconductores Mesoscópicos mediante microelectro-máquinas. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2009 (unpublished). [51] D. Antonio. Magnetómetros de alta sensibilidad implementandos con microosciladores mecánicos. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2009 (unpublished). [52] R. S. Decca, D. López, E. Fischbach, and D. E. Krause. Phys. Rev. Lett., 91:050402, 2003. [53] V. Aksyuk, F. F. Balakirev, G. S. Boebinger, P. L. Gammel, R. C. Haddon, and D. J. Bishop. Science, 280:720, 1998. [54] H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R.Ñ. Kleiman, D. J. Bishop, and F. Capasso. Science, 291:1941, 2001. [55] H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R.Ñ. Kleiman, D. J. Bishop, and F. Capasso. Phys. Rev. Lett., 87:211801, 2001. [56] M. D. Chabot, J. M. Moreland, L. Gao, S. H. Liou, and C. W. Miller. J. Microelectromech. Syst., 14:1118, 2005. [57] G. Barillaro, A.Molfese, A.Ñannini, and F. Pieri. J. Micromech. Microeng., 15:736–746, 2005. [58] D. Antonio and H. Pastoriza. J. Microelectromech. Syst., 18:1396, 2009. [59] N. La Forgia. Medición de superconductores Mesoscópicos mediante microelectro- máquinas. Tesis de Maestría, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2006 (unpublished). [60] MEMSCAP Inc. 4021 Stirrup Creek Drive, Durham, NC 27703, USA http://www.memscap.com. [61] J. Carter, A. Cowen, B. Hardy, R. Mahadevan, M. Stonefield, and S.Wilcenski. Poly MUMPS Design Handbook. MEMSCAP, 2005. [62] Multiphysics, C. Comsol. Inc., Burlington, MA. http://www. comsol. com. [63] Thin-Film Resonator. COMSOL MEMS Module Model Library, COMSOL Multiphysics 4.2. [64] Lucille A. Giannuzzi and Fred A. Stevie. Introduction to Focused Ion Beams Instrumentation, Theory, Techniques and Practice. Springer Science, Boston, 2005. [65] PolyMUMPs Run Data. RUN #98 y #105. http://www.memscap.com/ products/mumps/polymumps/reference-material. [66] O.Ñ Pierron, D. D. Macdonald, and Muhlstein C. L. Applied Physics Letters, 86:211919, 2005. [67] J. Y Kim and C. J Kim. IEEE Micro. Electro. Mechanical Systems Workshop, Japan, 1997. [68] S. D. Senturia. Microsystem Design. Kluwer Academic Publishers, 2001. [69] M. C. Roggeman, V. M. Bright, B. M. Welsh, S. R. Hick, P. C. Roberts, W. D. Cowan, and J. H. Comtois. Optical Engineering, 36(5):1326–1338, 1997. [70] V A Aksyuk, F. Pardo, and D. J Bishop. Proc. SPIE, 3680:984, 1999. [71] Olszak, A., Schmit, J., Heaton, M. . Interferometry: technology and applications. Application Note AN47, Veeco Instruments, Inc, 2010. [72] M. Dolz, D. Antonio, and H. Pastoriza. Physica B, 398:329, 2007. [73] H C Qiu, P. Schwarz, H Völlm, D Feili, X Z Wu, and H Seidel. J. Micromech. Microeng., 23:045007, 2013. [74] J. P. Davis, D. Vick, P. Li, S. K.Ñ. Portillo, A. E. Fraser, J. A. J. Burgess, D. C. Fortin, W. K. Hiebert, and M. R. Freeman. Journal of Applied Physics, 109, 2011. [75] H. Miao, K. Srinivasan, and V. Aksyuk. New J. Phys., 14:075015, 2012. [76] W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, and B. P. Flannery. Numerical Recipes in C. (Segunda Edición. Cambridge University Press) p 355-372., 1992. [77] W. Zhang, H. Yan, Z. Peng, and G. Meng. Sensors and Actuators A, 214:187, 2014. [78] G.Ñ. Nielson and G. Barbastathis. J. Microelectromech. Syst., 15:811, 2006. [79] K. B. Lee. J. Micromech. Microeng., 17:1853, 2007. [80] R. Sattler, F. Plötz, G. Fattinger, and G. Wachutka. Sens. Actuators A, Phys., 97:337, 2002. [81] Epoxy de plata EPO-TEK R H20E. http://www.epotek.com. [82] Manual de Usuario: AH2700A 50 Hz - 20 kHz Ultra-Precision Capacitance Bridge 2003. http://www.andeenhagerling.com/ah2700a.htm. [83] G. M. Schmiedeshoff et al. Rev. Sci. Inst., 77:123907, 2006. [84] T. Sakakibara, H. Mitamura, T. Tayama, and H. Amitsuka. J. J. of Appl. Phy., 33:5067, 1994. [85] P. Strehlow, C. Enss, and S. Hunklinger. Phys. Rev. Lett., 80:5361, 1998. [86] Manual de Usuario: General Ratio Company. GR 1616 Precision Capacitance Bridge 1978. [87] L. Li. Torque Magnetometry in Unconventional Superconductors. PhD Princeton University, 2008. [88] A. A. Zhukov, H. Küpfer, H. Claus, H. Wühl, M. Kläser, and G. Müller-Vogt. Phys. Rev. B, 52:R9871–R9874, 1995. [89] Donglu Shi, M S Boley, J G Chen, Ming Tang, U Welp, W K Kwok, and B Malecki. Supercond. Sci. Technol., 2:255, 1989. [90] S. Reyntjens and R. Puers. J. Micromech. Microeng., 11:287, 2001. [91] F. de la Cruz, D. Lopez, and G.Ñieva. Philos. Mag. B, 70:773, 1994. [92] 3M XYZ-Axis Electrically Conductive Tape 9712. http://www.tedpella.com. [93] H. Shiga, Y. Soutone, and Y Okabe. IEEE Transactions on Appl. Supercond., 9:2, 1999. [94] F. Bitter. Phys. Rev., 38:1903, 1931. [95] U. Essmann and H. Traüble. Phys. Letters, 24:526, 1967. [96] L. Ya Vinnikov, L. A. Gurevich, G. A. Yemelchenko, and Y. A. Ossipyan. Solid State Commun, 67:421, 1988. [97] I. V. Grigorieva, L. A. Gurevich, and L. Ya Vinnikov. Physica C, 195:327, 1992. [98] P. L. Gammel, C. A. Durán, D. J. Bishop, V. G. Kogan, M. Ledvij, A. Yu. Simonov, J. P. Rice, and D. M. Ginsberg. Phys. Rev. Lett., 69:3808–3811, 1992. [99] J. A. Herbsommer, G.Ñieva, and J. Luzuriaga. Phys. Rev B, 62:3534, 2000. [100] M. Leghissa, L. A. Gurevich, M. Kraus, G. Saemann-Ischenko, and L. Ya. Vinnikov. Phys. Rev. B, 48:1341–1344, 1993. [101] F. Pardo, F. de la Cruz, P. L. Gammel, E. Bucher, and D. J. Bishop. Nature, 396:348, 1998. [102] M Menghini. Transición de fase líquido-sólido de vórtices de primer orden con y sin cambio de simetría. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2003. [103] Y. Fasano. Observación microscópica de transformaciones estructurales en la materia de vórtices. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2003. [104] Manual de Usuario: O. Instruments (Oxford Inst, 1999). [105] Manual de Usuario: Model 3830 Multiplexer 2013. [106] N I Corporation, LabVIEW User Manual National Instruments Corporation 1998. [107] G. W. Crabtree and D. R Nelson. Phys. Today, 50:38, 1997. [108] R. H. Koch, V. Foglietti, and M. P. A. Fisher. Phys. Rev. Lett., 64:2586–2586, 1990. [109] D Perez-Morelo and H Pastoriza. J. Phys.: Conf. Ser., 568:022038, 2014. [110] J. W. Schmidt and M. R. Moldover. Inter. J. of Thermophys., 24:375, 2003. [111] U.Welp, W. K. Kwok, G.W. Crabtree, K. G. Vandervoort, and J. Z. Liu. Phys. Rev. Lett., 62:1908–1911, April 1989. [112] E. H. Brandt. Phys. Rev. B, 58:6506–6522, 1998. [113] Onuttom Narayan and A. P. Young. American Journal of Physics, 73(4):293– 298, 2005. [114] M. E. Fisher and D. R. Nelson. Phys. Rev. Lett., 32:1350–1353, 1974. [115] J. Lidmar and M. Wallin. Europhys. Lett, 47:494, 1999. [116] S. Fleshler, W. Kwok, U. Welp, V. M. Vinokur, M. K. Smith, and G. W. Downey, J.and Crabtree. Phys. Rev. B, 47:14448–14461, 1993. [117] U. Welp, S. Fleshler, W. K. Kwok, R. A. Klemm, V. M. Vinokur, J. Downey, B. Veal, and G. W. Crabtree. Phys. Rev. Lett., 67:3180–3183, Nov 1991. [118] H. Safar, H. Pastoriza, F. de la Cruz, D. J. Bishop, L. F. Schneemeyer, and J. V. Waszczak. Phys. Rev. B, 43:13610–13613, 1991. [119] A. V. Silhanek. Dinámica de vórtices en supercondutores de alta temperatura crítica con defectos columnares y electrodinámica no-local en borocarburos. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro - UNC - CNEA, 2001 (unpublished). |
| Materias: | Física > Materia condensada |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Bajas temperaturas |
| Código ID: | 868 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 12 Feb 2021 11:06 |
| Última Modificación: | 12 Feb 2021 11:06 |
Personal del repositorio solamente: página de control del documento
