Dynamik fraktionaler Flußwirbel in langen Josephsonkontakten

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die statischen und dynamischen Eigenschaften fraktionaler Flußwirbel in langen Josephsonkontakten untersucht. Im Gegensatz zu den in der Supraleitung seit langem bekannten Abrikosov- und Josephsonflußwirbeln tragen fraktionale Flußwirbel nicht ein sondern nur den Bruchteil eines magnetischen Flußquants. Sie sind ortsgebundene, zu einem gewissen Grad durch äußere Kräfte verformbare Objekte, die sich spontan an den Phasensprungstellen so genannter 0-kappa-Josephsonkontakte ausbilden können. 0-kappa-Kontakte und fraktionale Flußwirbel stellen dabei eine Verallgemeinerung der weitaus bekannteren 0-pi-Kontakte und den darin auftretenden Semifluxonen dar, wobei nun nicht nur pi- sondern beliebige, durch den Parameter kappa beschriebene Sprünge der Josephsonphase betrachtet werden. Durch die Verwendung sogenannter "künstlicher", auf Nb-AlOx-Nb Technologie basierender 0-kappa-Kontakte, in denen der Sprung der Josephsonphase durch einen extern steuerbaren Strom erzeugt wird und damit beliebig einstellbar ist, konnten erstmals experimentelle Untersuchungen der klassischen Dynamik fraktionaler Flußwirbel durchgeführt werden. Zum einen gelang der Nachweis halbzahliger Nullfeldstufen, die Ausdruck eines zeitlich periodischen Umklapp-/Hüpfprozesses fraktionaler Flußwirbel in Josephsonkontakten mittlerer Länge und geringer Dämpfung sind. Zum anderen konnte mit Hilfe der Resonanzspektroskopie die oszillatorische Eigenmode fraktionaler Flußwirbel untersucht werden. Im Gegensatz zu Josephsonfluxonen sind fraktionale Flußwirbel zu einer charakteristischen Eigenschwingung um ihre Ruhelage fähig, deren Frequenz innerhalb der so genannten Plasmabandlücke liegt und über die Größe des Phasensprungs kappa und einen extern angelegten Biasstrom kontinuierlich zwischen der Plasmafrequenz und Null durchgestimmt werden kann. Die Abhängigkeit der Eigenschwingung eines einzelnen fraktionalen Flußwirbels von Biasstrom und kappa konnte erstmals experimentell bestimmt werden.

In this thesis static and dynamic properties of fractional vortices in long Josephson junctions are investigated. Fractional vortices are circulating supercurrents similar to the well-known Josephson fluxons. Yet, they show the distinguishing property of carrying only a fraction of the magnetic flux quantum. Fractional vortices are interesting non-linear objects. They spontaneously appear and are pinned at the phase discontinuity points of so called 0-kappa junctions but can be bend or flipped by external forces like bias currents or magnetic fields. 0-kappa junctions and fractional vortices are generalizations of the well-known 0-pi junctions and semifluxons, where not only phase jumps of pi but arbitrary values denoted by kappa are considered. By using so-called artificial 0-kappa junctions that are based on standard Nb-AlOx-Nb technology the classical dynamics of fractional vortices has been investigated experimentally for the very first time. Here, half-integer zero field steps could be observed. These voltage steps on the junction’s current-voltage characteristics correspond to the periodic flipping/hopping of fractional vortices. In addition, the oscillatory eigenmodes of fractional vortices were investigated. In contrast to fluxons fractional vortices have an oscillatory eigenmode with a frequency within the plasma gap. Using resonance spectroscopy the dependence of the eigenmode frequency on the flux carried by the vortex and an applied bias current was determined.