Universität zu Köln

Josephson tunnel junctions with ferromagnetic interlayer

Weides, Martin P. (2006) Josephson tunnel junctions with ferromagnetic interlayer. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Superconductivity and ferromagnetism are well-known physical properties of solid states that have been widely studied and long thought about as antagonistic phenomena due to difference in spin ordering. It turns out that the combination of both superconductor and ferromagnet leads to a very rich and interesting physics. One particular example, the phase oscillations of the superconducting order parameter inside the ferromagnet, will play a major role for the devices discussed in this work. In this thesis, I present Josephson junctions with a thin Al2O3 tunnel barrier and a ferromagnetic interlayer, i.e. superconductor-insulator-ferromagnet-superconductor (SIFS) stacks. The fabrication of junctions was optimized regarding the insulation of electrodes and the homogeneity of the current transport. The junctions were either in the 0 or pi coupled ground state, depending on the thickness of the ferromagnetic layer and on temperature. The influence of ferromagnetic layer thickness on the transport properties and the coupling (0, pi) of SIFS tunnel junctions was studied. Furthermore, using a stepped ferromagnetic layer with well-chosen thicknesses, I obtained the so-called 0-pi Josephson junction. At a certain temperature this 0-pi junction can be made perfectly symmetric. In this case the ground state corresponds to a vortex of supercurrent creating a magnetic flux which is a fraction of the magnetic flux quantum Phi_0. Such structures allow to study the physics of fractional vortices and to build various electronic circuits based on them. The SIFS junctions presented here have an exponentially vanishing damping at T--> 0. The SIFS technology developed within the framework of this work may be used to construct classical and quantum devices such as oscillators, memory cells and qubits.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Supraleitung und Ferromagnetismus sind gut bekannte physikalische Eigenschaften fester Körper, die intensiv untersucht wurden und aufgrund ihrer unterschiedlichen Spin-Ordnungen für lange Zeit als gegensätzliche Phänomene galten. Es wurde gezeigt, dass die Kombination von Supraleitung und Ferromagnetismus zu einer vielfältigen und interessanten Physik führt. Ein besonderes Beispiel, die Phasenoszillationen des supraleitenden Ordnungsparameters innerhalb des Ferromagneten, spielt eine besondere Rolle für die in dieser Arbeit untersuchten Kontakte. In dieser Promotionsarbeit präsentiere ich Josephson-Kontakte mit einer dünnen Al2O3 Tunnelbarriere und einer ferromagnetischen Zwischenschicht, d.h. Supraleiter- Isolator-Ferromagnet-Supraleiter (SIFS) Schichten. Die Herstellung der Kontakte wurde hinsichtlich der Isolierung der Elektroden und der Homogenität des Stromtransportes optimiert. Die Kontakte waren entweder im 0 oder pi gekoppelten Grundzustand, abhängig von der Dicke der ferromagnetischen Schicht und der Temperatur. Der Einfluss der ferromagnetischen Schichtdicke auf die Transporteigenschaften und die Kopplung (0, pi) der SIFS-Tunnelkontakte wurde untersucht. Des Weiteren habe ich einen so genannten 0-pi Josephson-Kontakt durch eine gestufte ferromagnetische Zwischenschicht mit wohl definierten Dicken hergestellt. Bei einer bestimmten Temperatur ist dieser 0-pi Kontakt vollkommen symmetrisch. In diesem Fall entsteht im Grundzustand ein supraleitender Stromwirbel mit einem Magnetfluss von der Größe eines fraktionierten magnetischen Flußquants Phi_0. Solche Systeme erlauben die Untersuchung der Physik fraktionierter Magnetflüsse und zugleich die Konstruktion von verschiedenen elektronischen Schaltungen. Die hier vorgestellten SIFS Kontakte haben eine exponentiell verschwindene Dämpfung bei T --> 0. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte SIFS Technologie kann zur Herstellung von klassischen und Quanten-Bausteinen wie Oszillatoren, Speicherzellen und Qubits eingesetzt werden.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Weides, Martin P.m.weides@fz-juelich.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-19155
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    ferromagnetische 0-pi Josephson Tunnelkontakte SemifluxonGerman
    ferromagnetic 0-pi Josephson junction semifluxonEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Forschungszentrum Jülich
    Language: English
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 27 November 2006
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 22 Jan 2007 11:18:57
    Referee
    NameAcademic Title
    Kohlstedt, H.Priv.-Doz. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1915

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