Anclaje artificial e intrínseco en películas superconductoras nanoestructuradas - Chiliotte, Claudio Ezequiel (2015)
El uso de superconductores en aplicaciones tecnológicas depende del control de algunos parámetros como la corriente crítica, la magnetización y la susceptibilidad magnética. Todos estos parámetros están fuertemente ligados a las fuerzas de anclaje queel material ejerza sobre los vórtices superconductores. Adicionalmente, los vórtices enmateriales superconductores sometidos a potenciales de anclaje constituyen un sistemacomplejo análogo a otros de distintos orígenes como las ondas de densidad de carga,ondas de spin, coloides y capas atómicas adsorbidas en sustratos. Sin embargo, losvórtices conforman un marco ideal para el estudio de este tipo de sistemas debido a lasencillez para controlar las variables involucradas: las constantes elásticas se modificanvariando el campo magnético (distancia relativa entre vórtices) y las longitudescaracterísticas que gobiernan la interacción entre vórtices, y entre estos con cada centrode anclaje, se varían modificando la temperatura. Por estas razones, el efecto de loscentros de anclaje artificiales sobre el comportamiento de la red de vórtices en materiales superconductores ha sido objeto de numerosas e intensas investigaciones en las últimas décadas. En los últimos años se han obtenido muestras que proveen centros de anclajeordenados periódicamente en la escala submicrométrica. Estas muestras han sidosometidas a numerosos experimentos, y sus resultados contrastados con simulacionesnuméricas en base a diversos modelos. La confluencia de intereses científicos ytecnológicos ha mantenido muy activa esta área del conocimiento que aun cuenta connumerosos problemas por resolver. En este trabajo se estudió la dinámica de la red de vórtices en distintas películassuperconductoras provistas por colaboradores. Todas las películas superconductoras estudiadas son de Niobio (Nb) y cuentan con centros de anclaje intrínsecos. Estos centrosde anclaje se hallan distribuidos al azar y se generan inevitablemente durante el procesode fabricación. Adicionalmente, las películas estudiadas fueron provistas de centros deanclaje artificiales de distinto origen y ordenados de diferentes maneras. El objetivo deesta tesis fue el estudio de la competencia entre el anclaje intrínseco al azar y el anclaje artificial periódico, el efecto de las diferentes simetrías del potencial de anclaje periódico (triangular, cuadrado, rectangular) y el comportamiento de la red de vórtices frente apotenciales periódicos repulsivos o atractivos generados por heteroestructurassuperconductoras. En el capítulo 1 se ofrece una introducción sobre algunos aspectos teóricos de la superconductividad necesarios para el análisis de las muestras estudiadas. Las técnicas de medición utilizadas en este trabajo fueron la susceptibilidad ac y la magnetización dc. El capítulo 2 está dedicado a una breve descripción de las mismas. En el capítulo 3 se analiza una película de Nb con una red triangular de poros (conparámetro de red 100 nm) y otra similar pero sin ninguna estructura artificial particular. Se verifica que en la película sin estructuración existe un anclaje de la red de vórtices proveniente de los centros intrínsecos de esta muestra. Por otro lado, se verificó que en lapelícula porosa la corriente crítica de la misma aumenta anómalamente cuando el campo magnético aplicado produce una cantidad de vórtices que es un múltiplo entero delnúmero de poros existentes. Finalmente, se identificó a este efecto de conmensuracióncon un aumento en la eficiencia en el anclaje de la red debido a los poros. En el capítulo 4 del trabajo se agregó al análisis una película de Nb con inclusionesde Hierro (Fe). Esas inclusiones tienen tamaño y distribución similares a los poros de lapelícula porosa. Se encontró que en ambas muestras existe una competencia entre los potenciales de anclaje artificiales (inclusiones de Fe y poros) y los intrínsecos del Nb. Seconcluyó que esta competencia es la responsable de un comportamiento magnético histerético por debajo de cierta temperatura reducida (aproximadamente 0.75). En el capítulo 5 se estudió una película de Nb con inclusiones de tamaño ydistribución similares a las anteriores, pero en este caso el material fue Vanadio (V). El V se torna superconductor a una temperatura inferior a la del Nb. Por lo tanto, a bajastemperaturas, las inclusiones funcionan como centros de anti-anclaje que repelen a los vórtices. Para temperaturas superiores a la crítica del V pero inferiores a la crítica del Nb,el V tiene un comportamiento metálico y las inclusiones cumplen la función de centros de anclaje. En ambos regímenes se encontraron efectos de conmensuración. En el régimende bajas temperaturas el anclaje de la red se explica por un efecto de enjaulamiento de losvórtices que son repelidos por las inclusiones de V. Se encontró que el anclaje de la redpor enjaulamiento a bajas temperaturas es más eficiente que el producido por efectos deanclaje a altas temperaturas. En las muestras de los capítulos 3, 4 y 5, la geometría (triangular) de ladistribución de los centros de anclaje era coincidente con la geometría de una red devórtices en total ausencia de anclaje. En el capítulo 6 se trabajó con dos películas de Nbcon inclusiones de Níquel (Ni), pero en este caso la distribución de los centros de anclajeartificiales no fue triangular sino cuadrada (con parámetro de red 400 nm) y rectangular (parámetros de red 400 nm y 600 nm). En la muestra con distribución cuadrada seobservaron claros efectos de conmensuración y una evolución en la movilidad de la red dependiente del campo aplicado que coincide con predicciones obtenidas a partirsimulaciones numéricas. En el caso de la muestra con geometría rectangular no se observóel cambio de régimen en los efectos de conmensuración encontrado anteriormente por otros autores en experimentos de transporte e incluso algunos órdenes parecen haberseperdido. Se concluyó que esto es debido a la distribución azimutal de las corrientesinducidas en las mediciones de susceptibilidad ac, en contraste con la distribuciónunidireccional en los experimentos de transporte. De esta manera se examinaron diversos aspectos vinculados al anclaje de la red de vórtices por centros periódicos submicrométricos, en particular la competencia a bajas temperaturas con el desorden intrínseco, el anclaje por enjaulamiento repulsivo vs fuerzas atractivas y los efectos de la simetría del potencial de anclaje en experimentos de susceptibilidad ac.