Sarmiento Chávez, Ana C. (2019) Dinámica de vórtices en redes de centros de anclaje desordenadas. / Vortex dynamics for a pinning center array with disorder. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Un tema de gran interés en el campo de los superconductores tipo II, tanto desde el punto de vista científico como tecnológico, ha sido la dinámica de las líneas de flujo o vórtices. El movimiento de los vórtices se ve fuertemente afectado por el tipo, fuerza y correlación de los defectos presentes en el material superconductor. Esto ha impulsado a la comunidad científica a fabricar distintos tipos de defectos. Particularmente, en lo que respecta a películas superconductoras de baja temperatura se han aplicado varias técnicas como litografía electrónica e irradiación de iones focalizados para fabricar centros de anclaje en escala submicrométrica. Estos fueron fabricados como huecos, puntos magnéticos, puntos no magnéticos, en un arreglo perfectamente periódico, como redes triangulares o cuadradas. Sorprendentemente un aspecto poco estudiado es la interacción de vórtices con centros de anclaje que presentan orden de corto o medio alcance. Esta última situación será el foco de este trabajo. Para estudiar el efecto del desorden en redes de centros de anclaje sobre las propiedades de la red de vórtices superconductores se depositaron por pulverización catódica DC películas delgadas de Nb sobre membranas porosas de alúmina, cuya red de poros genera centros de anclaje de las lineas de flujo magnético. Dichas membranas porosas fueron crecidas por el Dr. Carlos Montón y su equipo de trabajo mediante el método de doble anodizado de aluminio, siendo el tiempo de primera anodización, el parámetro variable. Si bien este sistema (películas delgadas superconductoras depositadas sobre redes porosas de aluminio fabricadas mediante un proceso de anodización) ha sido previamente estudiado y caracterizado [1, 2, 3] hasta ahora no se ha profundizado en el estudio del efecto del desorden en dichas redes y su impacto sobre los propiedades del superconductor. Con el fin de determinar el grado de orden de las redes porosas crecidas, se tomaron micrografías de la superficie de estas mediante SEM y haciendo uso de dos paquetes de software se caracterizaron las propiedades estructurales de la red de poros. Los resultados de este análisis permitieron determinar que aumentar el tiempo de primera anodización durante la fabricación conlleva a una red de poros mas ordenada, con características mas similares a una red policristalina de granos cada uno de ellos con estructura hexagonal. Las propiedades superconductoras de las películas de Nb crecidas sobre el arreglo de centros de anclaje se determinaron midiendo magnetización en función de temperatura enfriando las muestras sin campo aplicado (Zero Field Cooling, ZFC) y con campo aplicado (Field Cooling, FC), encontrando que la temperatura crítica de las pelıculas se encuentra en un rango entre 7,5 - 8 K. Dado que nuestras muestras presentan topología no conexa, se realizaron mediciones de ZFC y FC a diferentes campos magnéticos, entre 0 y 10000 Oe, con el fin de determinar si se observaba el efecto Little-Parks, el cual fue de hecho observado. Un efecto típico en un sistema como el nuestro, dada la periodicidad de la red de centros de anclaje, es el efecto de conmensuración entre la red de centros de anclaje y la red de vórtices. Este se observo como máximos en la diferencia entre ambas ramas de la curva de histéresis de magnetización a H ∼ 2200Oe. Adicionalmente se calculo la energía de anclaje Up mediante mediciones de relajación magnética y la teoría de “creep” de Anderson-Kim, encontrando que esta tiene un valor mayor para campos de conmensuración. Otro aspecto observado a partir de las mediciones de relajación fue que la energía de anclaje presenta una correlación no monótona con el grado de orden de la red de centros de anclaje, encontrando un anclaje mas efectivo para una red con desorden intermedio. Esto creemos se debe al grado de orden de las redes de centros de anclaje aquí trabajadas. Finalmente, a pesar de que el título de esta tesis solo refleja un tema de investigación, durante el transcurso de la misma también se exploro la posibilidad de utilizar superredes de Nb/B para fabricar dispositivos sensores de neutrones por borde de transición (TES). Nuestra motivación reside en la reciente etapa de crisis que atraviesa la detección de neutrones debido a la restricción internacional en la venta de 3He, en base al cual se construyeron históricamente los detectores de neutrones. La idea, es utilizar la resistencia del Nb en la cercanía de la temperatura de transición (Tc) como el parámetro para detectar la energía depositada y el Boro como el material para capturar la radiación. Para ello se crecieron superredes de Nb / B mediante pulverización catódica DC y RF variando el espesor de Niobio y Boro. A estas, se les analizo la estructura cristalina encontrando que las capas de Nb presentan un crecimiento texturado en la dirección (110). Además se calculo el período de modulación de la superred y el espesor total de la muestra mediante reflectividad de rayos X. Respecto a las propiedades superconductoras de las superredes de Nb/B se realiza- ron medidas de magnetización y transporte para determinar la temperatura critica y la densidad de corriente critica. De las medidas de temperatura critica pudimos verificar la reproducibilidad de los resultados. Por último, con el fin de verificar si el sistema de superredes Nb / B es un buen candidato para un detector de borde de transición de neutrones se irradio una de las superredes fabricadas con un flujo de neutrones térmicos de 2, 53 × 10"7n/cm"2/s, con 3 % de incerteza. Problemas técnicos durante la irradiación ocasionaron que el flujo incidente fuera tres ordenes de magnitud superior a la usualmente usada en pruebas de este tipo. Aun así, posteriores mediciones de propiedades de transporte de la superred mostraron superconductividad después de la irradiación, evidenciando que esta es robusta. Si bien hace falta realizar mas irradiaciones para determinar si este sistema es apto, los resultados encontrados hasta ahora sugieren que el sistema Nb/B es un buen candidato para un detector de borde de transición de neutrones.
Resumen en inglés
A topic of great interest in the field of type II superconductors, either scientifically and technologically, has been the flux lines or vortex dynamics. The vortex’s movement is strongly affected by the type, strength and correlation of the defects present in the superconducting material. This has prompted the scientific community to manufacture different types of defects. Regarding low temperature superconducting films, several techniques such as electronic lithography and focused ion beam irradiation have been applied to manufacture pinning centers on a submicrometer scale. These were manufac- tured as holes, magnetic dots, non-magnetic dots, in a perfectly periodic arrangement, such as triangular or square lattices. Surprisingly, a not sufficiently studied field is the interaction of vortices with pinning centers that exhibit short or medium range order. For the study of the disorder effect in pinning centers array on the superconducting vortex lattices properties thin Nb films were deposited by sputtering DC onto porous alumina membranes, which pore lattice generates pinning centers for the magnetic flux lines. Those porous membranes were grown by Dr. Carlos Mont´on and his team through the method of double anodizing of aluminum, being the time of first anodization, the variable parameter. With the purpose to determine the order degree of the grown porous lattices, micrographs of the surface of these were taken by SEM and the structural properties of the pore lattices were characterized. The results of this analysis made it possible to understand that increasing the time of first anodization during fabrication leads to a more organized pore lattice, with characteristics more similar to a polycrystalline grain lattices, each one with an hexagonal structure. The superconducting properties of Nb film grown over the pinning centers arrange- ments were determined by measuring magnetization as a function of temperature, by cooling the samples without applied field (Zero Field Cooling, ZFC) and with applied field (Field Cooling, FC), finding that the critical temperature of the films is in a range between 7.5 - 8 K. Measurements of ZFC and FC were made at different magnetic fields, between 0 and 10000 Oe, in order to determine if the Little-Parks effect was observed, which was in fact observed. A typical effect in a system like ours, given the periodicity of the pinning center array, is the commensuration effect between the pinning center array and the vortex lattice. This was observed as maximum in the difference between both branches of the magnetization hysteresis curve at H ∼ 2200Oe. Additionally, the pinning energy Up was calculated by magnetic relaxation measurements and the Anderson-Kim theory of “ creep ”, finding that the vortex dynamics seems to have some correlation with the commensuration fields, being this one smaller for matching fields. Another aspect observed from the relaxation measurements was that the pinning energy has a non- monotonous correlation with the degree of order of the array pinning centers, finding a more effective pinning for a array with intermediate disorder. We believe this is due to the degree of order of the array pinning centers studied here. Although the title of this thesis only reflects one particular research topic, during the course of this thesis the possibility of using Nb / B superlattices to manufacture neutron sensing devices by transition edge (TES) was also explored. Our motivation lies in the recent crisis stage that the neutron detection is going through due to the international restriction in the sale of 3He, based on which the neutron detectors were built historically. The idea is to use the resistance of Nb in the vicinity of the transition temperature (Tc) as the parameter to detect the deposited energy and Boron as the material to capture the radiation. For this, Nb / B superlattices were grown by DC and RF sputtering varying the thickness of Niobium and Boron. For these, the crystalline structure was analyzed finding that the layers of Nb have a textured growth in the (110) direction. In addition, the period of modulation of the superlattice and the total thickness of the sample was calculated by X-ray reflectivity. Regarding the superconducting properties of the Nb / B superlattices, magnetiza- tion and transport were measured to determine the critical temperature and also the critical current density. For the measurements of critical temperature we were able to verify the reproducibility of the results. Finally, in order to verify whether the Nb / B superlattice system was a good can- didate for a neutron transition edge detector, one of the superlattices manufactured was irradiated with a thermal neutron flux of 2.53 times10"7n/cm"2/s, with 3 % un- certainty. Technical problems during irradiation caused the incident flow to be three orders of magnitude larger than usually used in tests of this type. Even so, subsequent measurements of the transport properties of the superlattice showed superconductivity after irradiation, evidencing that it is robust. This results suggest that the Nb / B system, in effect, it is a good candidate for a neutron transition edge detector.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Superconductors; Superconductores; Neutron detection; Detección de neutrones; [Vortex; Vórtices; Pinning centers; Centros de anclajes] |
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| Materias: | Física > Superconductividad Física > Detector de neutrones |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Bajas temperaturas |
| Código ID: | 901 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 26 Feb 2021 13:58 |
| Última Modificación: | 26 Feb 2021 13:58 |
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