Visualizing the influence of defects and impurities on pnictide and chalcogenide superconductors

• Autores: Antón Fente Hernández
• Directores de la Tesis: Hermann Suderow (dir. tes.), Isabel Guillamón Gómez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Alfredo Levy-Yeyati (presid.), Ana M. Palau Masoliver (secret.), José Ignacio Pascual Chico (voc.), María Roser Valentí Vall (voc.), Paul C. Canfield (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física de la Materia Condensada y Nanotecnología
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Superconductividad
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • A la vez que comenzaba mis estudios de máster se montó, en colaboración con el Prof. Paul Canfield del Ames Laboratory (Ames, IA, EEUU), un pequeño banco para crecimiento de materiales por flujo el en Laboratorio de bajas temperaturas de la UAM. Durante los meses posteriores, me familiaricé con dicha técnica, centrando en ella mi trabajo de fin de máster. En el verano siguiente, realicé una estancia de tres meses en el laboratorio del profesor Canfield para aprender más sobre esta técnica de crecimiento de materiales y poder aplicar estos conocimientos de vuelta en Madrid, donde establecimos colaboraciones con otros grupos para el estudio de monocristales.

    Los monocristales de alta calidad son la mejor elección para el estudio de propiedades intrínsecas de un material. Carecen de anisotropías provocadas por dominios estructurales y tienen una composición controlada y un bajo número de defectos. En este sentido, son el marco ideal para el estudio de los efectos de imperfecciones aisladas en las propiedades del material. Además, puede introducirse en ellos desorden de una manera controlada (como, por ejemplo, a través de sustitución de elementos o introduciendo impurezas), produciendo pequeñas modificaciones en la presión o la carga o introduciendo momentos magnéticos localizados.\\ Como figura en el título, este proyecto está centrado en el estudio de impurezas y defectos en superconductores, en concreto en un dicalcogenuro (2H-NbSe2 dopado con azufre) y dos superconductores basados en hierro: CaFe2As2 dopado con cobalto y CaKFe4As4. Para estudiar las propiedades electrónicas de estos materiales usamos un microscopio de efecto túnel (STM por sus siglas en inglés) el cual, al ser enfriado a muy bajas temperaturas (0.1 K), nos proporciona la resolución en energía necesaria para dicho estudio.\\ La superficie de Fermi de los superconductores basados en hierro (FeBSC por sus siglas en inglés) está formada fundamentalmente por los electrones $3d$ del hierro, con cierta contribución de los orbitales $p$ de los átomos de la columna del nitrógeno / calcogenuros. La distancia entre estos dos elementos afecta intensamente el solapamiento entre orbitales, por lo que la superficie de Fermi varía de manera considerable con la presión. El Ca(Fe0.965Co0.035)2As2 es un compuesto basado en hierro con una sensibilidad a la presión y a las deformaciones extremadamente alta. Debido a la presión estérica del ion Ca, un pequeño cambio de presión puede traducirse en un cambio drástico en el estado fundamental del sistema. En este compuesto, los efectos de la presión pueden ser reproducidos con un tratamiento térmico posterior al crecimiento de la muestra, permitiendo de esta manera que experimentos como el STM accedan a estados fundamentales que de otra forma no podrían. Gracias a ello podemos caracterizar a escala local los efectos de las deformaciones en el estado superconductor de este sistema.

    También nos hemos centrado en el estudio del recientemente descubierto CaKFe4As4, realizando las primeras medidas de espectroscopía túnel en este material. En este FeBSC se encuentra superconductividad con una temperatura crítica de 53 K, con mucho, la más elevada entre los FeBSC estequiométricos conocidos. Carece de transición estructural entre temperatura ambiente y la temperatura más baja medida, encontrándose por tanto libre de dominios estructurales asociados a este tipo de transición. Este material proporciona, pues, una oportunidad excepcional para estudiar el mecanismo de la superconductividad en un compuesto sin dopaje, es decir, eliminando los efectos del desorden originado por el dopaje. Hemos caracterizado en este material los efectos de los defectos en la superficie sobre la red de vórtices.

    2H-NbSe2 está considerado como un material de referencia en el estudio de la superconductividad con STM, lo que lo convierte en un buen marco para el estudio de los efectos de impurezas magnéticas. Este compuesto muestra, sin embargo, una fuerte anisotropía del gap en el plano. Dicha anisotropía puede reducirse sustituyendo Se por S. Hemos visto que, con una sustitución del 10 %, 2H-NbSe1.8S0.2 es casi completamente isótropo en el plano. Añadiendo una pequeña cantidad de átomos de hierro, hemos identificado estados de Shiba y estudiado la densidad de estados alrededor de impurezas aisladas y pequeños grupos de impurezas de hierro. Estas impurezas actúan como momentos magnéticos localizados embebidos en el material. Estudiamos los efectos de estas impurezas en la densidad local de estados, investigando impurezas individuales y cercanas.

    El STM es una técnica muy utilizada en el campo de la superconductividad, especialmente en el estudio de los vórtices. Permite realizar observaciones, no solo de la red de vórtices, sino también de vórtices individuales, siendo una herramienta ideal para el estudio de comportamientos tanto individuales como colectivos. Pese a sus gran presencia en el campo, no había hasta ahora un método establecido para extraer el tamaño característico del vórtice con STM. En el capítulo "Determining the size of the vortex core with STM" mostramos como, en colaboración con el Dr. Vladimir Kogan del Ames Laboratory, hemos sido capaces de proporcionar un método para ello utilizando datos obtenidos en esta tesis.