Magnetische nanostippen v magneetveld-geïnduceerde

Magnetische nanostippen v
magneetveld-geïnduceerde
Reeds één jaar na zijn ontdekking van de supergeleidende
toestand in 1911 merkte Heike Kamerlingh Onnes dat deze
bijzondere toestand onderdrukt kan worden door magneetvelden. We hebben een idee ontwikkeld waarbij dit nadeel
voor toepassingen verholpen kan worden door ‘vuur met
vuur’ te bestrijden, namelijk door gebruik te maken van ferromagnetische nanostippen die de supergeleider beschermen tegen externe magneetvelden.
Martin Lange, Margriet Van Bael en
Victor Moshchalkov
[email protected]
12
Martin
Lange
studeerde Natuurkunde
(1994–
1999) aan de
rwth Aachen
(Duitsland).
Daarna was hij
als doctoraatsbursaal verbonden aan het Laboratorium
voor
Vaste-Stoffysica
en Magnetisme
aan de K.U.Leuven (België). Hier
promoveerde hij
in mei 2003 tot
Doctor in de Wetenschappen op
het proefschrift
‘Vortexmaterie in
hybride supergeleider/ferromagneet-nanosystemen’. Vanaf oktober 2003 is hij
Postdoctoraal
Onderzoeker van
het Fonds voor
Wetenschappelijk
Onderzoek
–
Vlaanderen.
Margriet
Van
Bael
studeerde
Natuurkunde aan
het L.U.C. (Diepenbeek, België)
en
aan
de
K.U.Leuven. Van
1994 tot 1998
was ze Aspirant
van het Fonds
voor Wetenschappelijk Onderzoek
(fwo-Vlaanderen) en promoveerde in 1998 tot
Doctor in de Wetenschappen aan
de K.U.Leuven
voor werk verricht
op roosters van
magnetische stippen en hun fluxverankeringseigenschappen.
Sinds 1998 is ze
Postdoctoraal
Onderzoeker van
het fwo-Vlaanderen aan de
K.U.Leuven in het
Laboratorium
voor Vaste-Stoffysica en Magnetisme.
Victor Moshchalkov studeerde Natuurkunde aan de
Lomonosov Moscow State University (Rusland). In
1978 promoveerde hij aan dezelfde universiteit,
waar hij habiliteerde in 1985 en
van 1988 tot
1991 hoofd was
van het Laboratory of High Temperature Superconductivity.
Sinds 1991 is hij
Gewoon Hoogleraar aan de
K.U.Leuven (België). Hij is voorzitter van het European Science
Foundationprogramma
vortex (19992003), en co-editor van Europhysics Letters.
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
september 2003
Supergeleiders kunnen elektrische
stroom transporteren zonder dat er
verlies van energie optreedt. Het is
deze eigenschap die perspectieven
biedt voor toepassingen in ondermeer
micro-elektronica, stroomkabels en
krachtige magneetspoelen. Helaas
treedt de supergeleidende toestand alleen maar op bij relatief lage temperaturen en bovendien verdwijnt de supergeleiding onder invloed van een sterk
extern magneetveld. Als men een elektrische stroom door een supergeleider
stuurt, dan genereert deze stroom zelf
ook een magneetveld, dat tot het verlies van de supergeleidende eigenschappen kan leiden. Echter, het kritische magneetveld (dat wil zeggen het
maximale magneetveld waarin de
supergeleider geen weerstand heeft)
kan effectief worden gecontroleerd
door het gebruik van een nanogestructureerde magneetveldcompensator –
meer bepaald door een rooster van ferromagnetische stippen in contact te
brengen met een supergeleidende film
[1].
Veld-geïnduceerde supergeleiding
Magneetveld-geïnduceerde supergeleiding werd tot op heden slechts in
drie bulkmaterialen waargenomen
[2,3,4]. Deze drie systemen hebben
gemeen dat ze in nul-magneetveld niet
supergeleidend zijn, maar de supergeleidende toestand wordt opgewekt
door het aanleggen van een magneetveld van bepaalde sterkte. Dit heeft te
maken met de aanwezigheid van interne velden in deze materialen. Het ‘exchange-veld’ tussen de geleidingselektronen en de spin-gepolariseerde
ionen in deze materialen zal onder bepaalde omstandigheden het aangelegde veld kunnen compenseren, een effect dat voor het eerst voorspeld werd
door Jaccarino en Peter [5]. Een soortgelijk veldcompensatie-effect treedt
eveneens op in onze hybride supergeleider/ferromagneet-nanostructuren,
waarbij in dit geval niet het exchangeveld, maar de dipoolvelden van de
magnetische stippen het aangelegde
magneetveld tussen de stippen compenseren, hetgeen resulteert in veldgeïnduceerde supergeleiding.
Het monster werd vervaardigd met behulp van technieken die ook voor het
fabriceren van moderne microchips
worden gebruikt, namelijk moleculaire-bundel-epitaxie en elektronenbundellithografie. Een schematische tekening van de experimentele configuratie wordt getoond in figuur 1. Eerst
werd een dunne loodfilm (circa 85 nanometer dik) op een siliciumsubstraat
aangebracht. Zonder magnetische
stippen is deze film in nulveld supergeleidend bij temperaturen beneden
7,23 Kelvin, maar door het aanleggen
van relatief kleine magneetvelden kan
de Pb-film normaal-geleidend worden. Dit is het gedrag dat gewoonlijk
in supergeleiders wordt waargenomen.
Vervolgens werden magnetische stippen met een diameter van ongeveer
800 nanometer en bestaande uit een
multilaag van kobalt en palladium
(Pd (3,5nm) / 10x [Co (0,4nm) / Pd
(1,4nm)]) op dit Pb-laagje aangebracht. Deze nanostippen hebben de
bijzondere eigenschap dat de voor-
veroorzaken
supergeleiding
Figuur 1
Schematische weergave van de nanogestructureerde magneetveldcompensator: bovenop een
type-ii supergeleider (Pb) bevindt zich een
rooster van Co/Pd-stippen met alle magnetische
momenten naar boven gericht, loodrecht op het
filmvlak. Onder de stippen zal het aangelegde
magneetveld het strooiveld van de stippen
(dunne witte pijlen) versterken waardoor het Pb
normaalgeleidend wordt. In de gebieden tussen
de stippen wordt het aangelegde magneetveld
echter gecompenseerd door het strooiveld van
de stippen, waardoor de supergeleidende toestand zal optreden.
Magneetveld
type-ii-supergeleider
veld van de stippen (∼2 mT) zal het effectieve veld tussen de stippen ongeveer nul worden. De Pb-film kan dan
als het ware vergeleken worden met
een ‘kaas met gaatjes’: onder de stippen is het Pb normaalgeleidend (gaatjes), maar de supergeleidende toestand overleeft in de gebieden tussen
de magnetische stippen (kaas), zodat
de supergeleidende elektronen zonder
weerstand door het Pb-laagje kunnen
vloeien. Deze hybridestructuur is dus
alleen supergeleidend indien een extern magneetveld wordt aangelegd en
men kan daarom spreken van magneetveld-geïnduceerde
supergeleiding.
Supergeleidende gatenkaas
Centraal in figuur 2 is de weerstand
van de Pb-film weergegeven als functie Het veldbereik controleren
van het aangelegde magneetveld H bij Het veldbereik waarbij de veldgeïndueen temperatuur van 7,20 Kelvin. In ceerde supergeleiding optreedt, kan
nulveld heeft de Pb-film een eindige
weerstand en is dus niet supergeleidend. Dit kan worden verklaard door
Figuur 2
de aanwezigheid van de magnetische
Demonstratie van magneetveld-geïnduceerde
strooivelden van de Co/Pd-stippen, die
supergeleiding: de centrale grafiek toont de
de supergeleiding zowel tussen als ook
weerstand van de Pb-film (genormeerd naar de
weerstand bij 7,30 Kelvin ρn) als functie van het
onder de stippen onderdrukken.
Indien nu een magneetveld wordt aan- aangelegde magneetveld H bij een temperatuur
van 7,20 Kelvin. In nulveld is het Pb normaalgeleigelegd parallel met de loodrecht uitge- dend omdat het strooiveld van de Co/Pd-stippen
lijnde momenten van de stippen (zie
de supergeleidende toestand onderdrukt zoals
tekening onderaan figuur 2), dan zal
schematisch weergegeven in de grafiek bovenaan. Een aangelegd magneetveld van ongeveer
het magneetveld afkomstig van de
+2mT verhoogt het effectieve veld direct onder
stippen het aangelegde magneetveld
de stippen, maar anderzijds wordt het effectieve
tussen de stippen gedeeltelijk comveld tussen de stippen verlaagd (zie grafiek
penseren. Bij een aangelegde-velonderaan). Hierdoor kan de Pb-film tussen de
dwaarde vergelijkbaar met het strooistippen supergeleidend worden.
op verschillende manieren gecontroleerd en verhoogd worden. Een eerste
manier is het verkleinen van de afstand d tussen de stippen: het veldbereik van de supergeleidende toestand
zal naar grotere magneetvelden opschuiven naargelang de afstand tus-
H= 0
z
B
m
Co/Pd
Ge
Pb
Ge
Si/SiO 2
1,0
weerstand (ρn)
keursrichting van de magnetisatie
loodrecht is ten opzichte van het filmoppervlak, zodat de magnetisatie in
alle stippen loodrecht op het substraatvlak kan worden uitgelijnd (zie
figuur 1). Het magnetische dipoolveld
dat uitgaat van elk van deze stippen
kan worden vergeleken met het veld
van een staafmagneet: direct onder de
stippen heeft het veld een positieve
waarde terwijl het veld tussen de stippen negatief is, zoals aangegeven bovenaan in figuur 2. Deze magnetische
stippen kunnen de eigenschappen van
de supergeleider volledig veranderen.
0,8
13
N
0,6
S
0,4
0,2
0
–4
–2
0
2
4
aangelegd magneetveld (mT)
µ 0H = 2 mT
september 2003
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
sen de stippen afneemt. De verschuiving is evenredig met de dichtheid
(1/d2) van de magnetische stippen.
Door de stippen op een afstand van
ongeveer 100 nm van elkaar te plaatsen zou de supergeleidende toestand
bij magneetvelden van ongeveer 0,5
Tesla kunnen optreden. Een tweede
manier om het supergeleidend veldgebied naar hogere velden op te schuiven
is door het magnetische moment van
de stippen te verhogen, bijvoorbeeld
door het aandeel aan magnetisch materiaal waaruit elke stip bestaat te vergroten.
Behalve het beschermen van de supergeleiding tegen externe magneetvelden zou dit hybridesysteem interessant
kunnen zijn voor andere toepassingen.
Controleerbare magnetoweerstandseffecten zoals getoond in figuur 2 kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om
op een gevoelige manier magneetvelden te detecteren, of om logische schakelaars in opslagmedia te bouwen.
Samenvattend kan worden gesteld dat
magnetische nanostructuren met een
doordacht ontwerp uitermate nuttig
kunnen zijn om de kritische parameters van supergeleiders te controleren.
14
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
september 2003
Referenties
1 M. Lange, M.J. Van Bael, Y. Bruynseraede en
V.V. Moshchalkov, Phys. Rev. Lett. 90 (2003),
197006.
2 H.W. Meul, C. Rossel, M. Decroux, Ø.
Fischer, G. Remenyi en A. Briggs, Phys. Rev.
Lett. 53 (1984), 497.
3 S. Uji, H. Shinagawa, T. Terashima, T. Yakabe,
Y. Terai, M. Tokumoto, A. Kobayashi, H.
Tanaka en H. Kobayashi, Nature 410 (2001),
908.
4 M. Giroud, O. Pena, R. Horyn en M. Sergent,
J. Low Temp. Phys. 69 (1987), 419.
5 V. Jaccarino en M. Peter, Phys. Rev. Lett. 9
(1962), 290.