Gezielter Beeinflussung der Fluxondynamik in Stapeln intrinsischer Josephson-Kontakte aus Bi_2Sr_2CaCu_2O_{8+x}

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Verständnis der Fluxondynamik intrinsischer Josephson-Kontakte aus BSCCO zu erweitern und diese Dynamik gezielt zu beeinflussen. Es wurden neue Ansätze zur Erzeugung von THz-Strahlung erforscht.

Hierzu wurden Stufenstapel aus BSCCO mit Abmessungen von 1-3 µm Breite und 3-10 µm Länge präpariert. Der benötigte Fabrikationsprozess, basierend auf der doppelseitigen Technik von Wang et al., wurde etabliert.

An den so hergestellten Proben wurden Transportmessungen ohne und mit Magnetfeld durchgeführt. Das Magnetfeld im Bereich einiger Tesla lag parallel zu den CuO_2-Doppelebenen an. Es konnten kollektive Plasmaresonanzen beobachtet werden. Diese waren im Vergleich zu den Resonanzen in Mesastrukturen~\cite{Heim02} stabiler. Die Resonanzen lassen sich im unteren Strombereich einer außer-Phase-Konfiguration zuordnen, während es im oberen Strombereich aufgrund der Kombinationen mehrere mögliche Konfigurationen gibt. Die Fluxonenanordnung in einer außer-Phase-Konfiguration im unteren Strombereich wird ebenfalls gestützt durch an diesen Stufenstapeln gemessenen Flux-Flow-Oszillationen.

Da die in-Phase-Konfiguration sich hier nicht eindeutig erkennen ließ, wurde die Fluxondynamik zur Erzeugung von THz-Strahlung gezielt beeinflusst durch die beiden folgenden Ansätze: * Steuerstrom * geometrische Beeinflussung: breitenmodulierter Stapel

Zur elektronischen Beeinflussung wurde eine zusätzliche Stromleitung, die Steuerstromleitung, unten längs des Stapels mitpräpariert. Durch diese wurde während der Transportmessungen im Nullfeld ein Strom (0-30 µA) geschickt. Die so erzeugte Inhomogenität im Stapel sollte Fluxonen ohne Anlegen eines externen Magnetfelds erzeugen. Ein sichtbarer Effekt konnte nicht gemessen werden.

Die geometrische Beeinflussung der Fluxondynamik zum Erreichen der in-Phase-Mode beruht auf einer Modulation der Stapelbreite: diese erfährt periodische Einschnürungen (Kammstruktur). Erste Messungen an in doppelseitiger Technik präparierten Kammstrukturen zeigen vielversprechende Ansätze, dass durch die Breitenmodulation die gezielte Beeinflussung der Fluxondynamik möglich ist.

Es wurden hierzu Simulationen durchgeführt für verschieden starke Modulationstiefen, niedrige und hohe Stapel bei schwachen und starken externen Magnetfeldern. Es zeigt sich, dass für kleine Magnetfelder und eine deutliche Modulationstiefe eine in-Phase-Bewegung der Fluxonen zum Stapelende hin forciert wird. Die Fluxonen erreichen dann gemeinsam das Stapelende.

Die gezielte Beeinflussung der Fluxondynamik ist durch breitenmodulierte Stapel intrinsischer Josphson-Kontakte möglich und vielversprechend. Der Parameterraum sollte zukünftig genauer erforscht werden.

Goal of this thesis was to extend the knowlegde of fluxon dynamics in intrinsic Josephson junctions out of BSCCO and to manipulate this dynamics in a purposeful way. New approaches to create ThZ-radiation were investigated.

Step stacks out of BSCCO have been prepared with dimensions of 1-3 µm (width) and 3-10 µm (length). The necessary fabrication process was established based on Wang´s double-sided technique.

Transport measurements without and with magnetic field were realised on the so produced samples. The magnetic field of some Tesla was oriented parallel to the CuO_2-double layers. Collective plasma resonances were observed. Those were more stable than the resonances in mesa-structures. The resonances in the low current range can be assigned to an out-of-phase configuration, whereas in the high current range there are some possible configurations. Flux-flow-oscillations measured at these step stacks support the arrangement of the fluxons in an out-of-phase configuration.

The in-phase configuration couldn´t be observed clearly, so two approaches were followed to manipulate aimingly the fluxon dynamics to create THz-radiation: * control current * geometric manipulation: width-modulated stack

For electronic manipulation an additional current line (control current line) was prepared along the stack´s bottom. During transport measurements in zero field a current of 0-30 µA was sent through this control current line. The so created inhomogeneity should have provoked fluxons without the help of a magnetic field. A visible effect couldn´t be measured.

Geometric manipulation of fluxon dynamics to reach in-phase configuration relys on modulation of the stack´s width: it has periodic necks (comb structure). First measurements on comb structures prepared in double-side technique show promising hints, that manipulation on purpose of fluxon dynamics is possible using width-modulation.

Simulations were performed for different depths of modulation, small and large stacks at low and high external magnetic fields. For low magnetic fields and strong modulation depths a provocation of in-phase movement of the fluxons at the stack´s end is seen. The fluxons reach the stack´s end together.

Aimed manipulation of fluxon dynamics is possible and promising using width-modulated stacks of intrisic Josephson junctions. In prospective the parameter range should be investigated.