Superconductividad y dimensionalidad: Microscopía túnel bajo campos magnéticos inclinados
- Autores: Jose Augusto Galvis Echeverri
- Directores de la Tesis: Hermann Suderow (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Sebastián Vieira Díaz (presid.), Isabel Guillamón Gómez (secret.), Carlos Martí Gastaldo (voc.), Luis Quiroga Puello (voc.), Edgar Patiño Zapata (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Los trabajos del grupo durante los u¿ltimos an¿os han demostrado que la espectroscop¿¿a tu¿nel a bajas temperaturas es una herramienta muy poderosa para estudiar nuevos ma- teriales superconductores. Se observan directamente algunas de las propiedades m¿as im- portantes para entender su comportamiento, y para disen¿ar nuevas aplicaciones. As¿¿, se puede estudiar con gran precisi¿on el gap superconductor, y observar la red de v¿ortices al aplicar campos magn¿eticos. Hasta la fecha, la mayor¿¿a de los trabajos se centran en campos magn¿eticos perpendiculares a la super¿cie de la muestra.
Por otra parte, el inter¿es de la comunidad cient¿¿¿ca se ha movido durante los u¿ltimos an¿os hacia las propiedades electr¿onicas de compuestos cuasi bidimensionales, en parte gracias al descubrimiento del grafeno[61]. En estos sistemas, es particularmente importante controlar el vector del campo magn¿etico para obtener informaci¿on sobre la anisotrop¿¿a. En esta tesis se ha desarrollado y construido un nuevo sistema de solenoides superconductores que proporciona campos magn¿eticos de hasta 5 T en una direcci¿on y de 1.2 T en todas las direcciones del espacio. Se ha puesto a punto un sistema de microscop¿¿a tu¿nel local en un criostato de diluci¿on que permite alcanzar temperaturas cercanas a 100 mK. As¿¿, se ha construido una nueva herramienta para el laboratorio, que permite realizar microscop¿¿a tu¿nel a muy baja temperatura variando la orientaci¿on del campo magn¿etico respecto a la super¿cie de la muestra.
Este desarrollo ha permitido estudiar diferentes sistemas superconductores cuasi bidi- mensionales. Por un lado, dicalcogenuros de metales de transici¿on, caracterizados por la f¿ormula qu¿¿mica MX2 (donde M es un metal de transici¿on y X un elemento calc¿ogeno). Estos compuestos presentan interesantes propiedades estructurales, ¿opticas, el¿ectricas, magn¿eticas y qu¿¿micas [48], algunas de ellas de gran inter¿es para las aplicaciones tec- nol¿ogicas [75, 3]. En el caso del TaSe2, TaS2 y NbSe2 a bajas temperaturas se encuentra la coexistencia de la superconductividad y la onda de densidad de carga[83]. Adicionalmente, al ser compuestos laminados exhiben un fuerte car¿acter bidimensional en sus propiedades cristalinas y electr¿onicas. Gracias a esta caracter¿¿stica, estos dicalcogenuros permiten su exfoliaci¿on en capas individuales. Por otro lado, hemos sintetizado y estudiado en el la- boratorio el compuesto LaSb2 en el estado superconductor. Es otro compuesto laminar, cuyas propiedades superconductoras todav¿¿a son objeto de debate.
En la familia de los dicalcogenuros, hemos estudiado las propiedades superconductoras de capas de TaSe2 y de TaS2. Para ello, se realiz¿o un estudio exhaustivo de topograf¿¿a y espectroscop¿¿a tu¿nel en la super¿cie de estos materiales. En el caso del TaSe2 se en- contraron zonas sobre la super¿cie con diferentes propiedades cristalinas. Algunas zonas tienen el comportamiento esperado en este material, con multicapas superconductoras en la estructura 2H, las cuales exhiben un gap superconductor en su densidad de estados. En algunas ¿areas de la super¿cie, se encontraron diferentes politipos. En algunas capas, se observa la estructura cristalina 2H, sobre capas con estructura 1T. Las capas 2H, con un espesor igual a la celda unidad, mostraron un comportamiento an¿omalo en su densi- dad de estados, que no fue encontrado en las capas 1T. Sobre los ¿atomos de selenio de las mono-capas 2H, aparece un pico en la conductancia tu¿nel a voltaje cero, que indica una clara localizaci¿on en la densidad de estados a la energ¿¿a de Fermi. Esta localizaci¿on est¿a fuertemente modulada por la onda de densidad de carga presente en esta fase. Para temperaturas superiores a la temperatura cr¿¿tica superconductora, esta localizaci¿on de es- tados desaparece y la densidad de estados se hace normal. Se caracteriz¿o la conductancia tu¿nel en funci¿on de la temperatura y campo magn¿etico en las diferentes estructuras en- contradas en la super¿cie del TaSe2. En la super¿cie del TaS2 se encontr¿o la estructura 2H en todas sus capas, con curvas de conductancia tu¿nel que muestran el gap superconductor de este compuesto. En algunas zonas de la super¿cie se encontraron capas desacopladas del resto del material, en las cuales se midi¿o un pico en la conductancia tu¿nel a voltaje cero. Este pico, al igual que el caso anterior, indica una localizaci¿on en la densidad de estados a la energ¿¿a de Fermi, extendido sobre toda la capa desacoplada. Se encontr que las caracter¿¿sticas de este estado localizado dependen del nivel de desacoplamiento de la capa. Para temperaturas mayores a la temperatura cr¿¿tica, la localizaci¿on de estados desaparece, al igual que el gap superconductor en las capas bien acopladas.
Concluimos que esta localizaci¿on de estados a la energ¿¿a de Fermi, corresponde con el es- tablecimiento de estados ligados de Andreev en las super¿cies de capas superconductoras de TaSe2 y TaS2. Sugerimos que este resultado implica superconductividad no conven- cional, con cambio de signo en el par¿ametro de orden superconductor, y que la aparici¿on de este tipo de superconductividad est¿a ¿¿ntimamente ligada a la presencia de capas o monocapas con cierto grado de desacople del sustrato.
En el caso del NbSe2 nos centramos en el estudio de la dependencia de la red de v¿orti- ces superconductora en funci¿on del ¿angulo de campo magn¿etico aplicado. En NbSe2, los v¿ortices tienen forma de estrella, relacionada con la anisotrop¿¿a en el plano del gap su- perconductor. La estrella est¿a desorientada con respecto a los pr¿oximos vecinos de la red de v¿ortices 30 grados (cuando se toman im¿agenes a voltaje bias cero). Al variar el ¿angulo del campo magn¿etico con respecto de la super¿cie (¿angulo polar), se ha observado que la red de v¿ortices se distorsiona, debido a la anisotrop¿¿a cristalina en un plano perpendicular al campo magn¿etico. Este efecto era ya conocido, reproduci¿endose resultados obtenidos anteriormente[148], y que est¿an de acuerdo con la teor¿¿a de Ginzburg-Landau para su- perconductores anis¿otropos. Cuando el campo magn¿etico est¿a inclinado, hemos variado tambi¿en el ¿angulo del campo con respecto a la direcci¿on en la que se encuentra la forma de estrella de los v¿ortices (¿angulo azimutal). En este estudio, hemos encontrado nuevas informaciones sobre la in¿uencia de la anisotrop¿¿a cristalina en la din¿amica y en el nu¿cleo de los v¿ortices.
Demostramos primero que los estados localizados que forman la estrella se extienden en la super¿cie para campos magn¿eticos inclinados. Esto produce l¿¿neas en las im¿agenes de espectroscop¿¿a, con un patr¿on que depende del ¿angulo azimutal. Despu¿es, encontramos que los estados localizados entre diferentes v¿ortices hibridizan y forman un patr¿on carac- ter¿¿stico. El patr¿on depende sensiblemente de la orientacion del campo magn¿etico en el plano con respecto a la red cristalina. Finalmente, observamos que los v¿ortices se mueven cuando el campo est¿a inclinado. El origen del movimiento es la presencia de gradientes de campo que generan corrientes y a su vez una fuerza de Lorentz que actu¿a sobre los v¿ortices. As¿¿, hemos podido estudiar la in¿uencia de los estados localizados del nu¿cleo de los v¿ortices sobre la din¿amica de v¿ortices. La din¿amica de la red de v¿ortices depende sen- siblemente de la hibridaci¿on entre estados localizados en los v¿ortices y de la anisotrop¿¿a del gap superconductor en la super¿cie, demostrando por primera vez que los estados localizados in¿uyen notablemente en el movimiento de los v¿ortices.
Finalmente, en el compuesto LaSb2 hemos conseguimos caracterizar algunas de sus propiedades superconductoras en funci¿on de la temperatura y campo magn¿etico. Encon- tramos ausencia de orden de densidad de carga a 150 mK y propiedades superconductoras m¿as robustas en sus u¿ltimas capas que en el material volum¿etrico. Adicionalmente, en- contramos caracter¿¿sticas en la densidad de estados del LaSb2 que sugieren la posibilidad de que ¿este sea un superconductor multibanda.
