Superconducting vortex dynamics and new heavy fermion phases studied by very low temperature scanning tunneling spectroscopy

Resumen

En esta tesis, se ha desarrollado un nuevo microscopio de efecto túnel de barrido para estudiar la dinámica de vórtices en superconductores. Generalmente, estos materiales se utilizan en aplicaciones de conducción eléctrica no disipativa [Applications]. En muchos estudios se ha caracterizado el comportamiento de un superconductor bajo corriente desde un punto de vista macroscópico. Concretamente, se han realizado medidas de resistencia y efecto Hall para distintos valores de corriente aplicada a lo largo de la muestra en prácticamente todos los superconductores conocidos hasta este momento. Estos estudios han demostrado que estos materiales presentan un rico comportamiento bajo corriente, que está gobernado básicamente por la acción de la corriente sobre los vórtices superconductores. Sin embargo, los detalles microscópicos de dicha acción están no están todavía claros. Esto se debe principalmente a la falta de sondas adecuadas que puedan proporcionar información sobre las posiciones de los vórtices y su dinámica. Con este objetivo, se ha desarrollado e instalado un nuevo microscopio en la parte más fría de un refrigerador de dilución, que alcanza una temperatura de base de 7 mK y que está equipado con un imán superconductor, capaz de aplicar campos magnéticos de hasta 10 T en una dirección perpendicular a la superficie de la muestra. Con este montaje experimental se han podido realizar medidas de microscopía y espectroscopía túnel de barrido (STM/S) mientras, eventualmente, se aplicaba una corriente eléctrica constante a lo largo de la muestra, cuyo valor estaba comprendido entre cero y 30 mA. Este sistema se ha caracterizado totalmente en esta tesis, determinando una resolución en energía de 26 microelectronvoltios y una temperatura electrónica de 150 mK sin aplicar ninguna corriente. Sin embargo, al aplicar corriente, a pesar de que la toma de imágenes no se ve afectada, su resolución en energía se reduce algo, a 35 microelectronvoltios, dando lugar en consecuencia a una temperatura efectiva de 200 mK, debido al cableado y a la electrónica adicional. Con este equipo, se han estudiado dos sistemas bajo aplicación de corriente: el superconductor modelo NbSe2 y un nanodepósito basado en W fabricado por la técnica del depósito inducido por un haz de iones focalizado (FIBID), que ha sido extensamente caracterizado en LBTUAM. Además, algunos compuestos de fermiones pesados han sido caracterizados, sin aplicar ninguna corriente, mediante espectroscopía de efecto túnel en función de la temperatura. Concretamente, hemos estudiado dos compuestos de estequiometría muy similar: CeRu2Si2 y CeRh2Si2. También hemos caracterizado la fase superconductora de URu2Si2. En NbSe2, hemos realizado medidas de espectroscopía de efecto túnel a campo cero bajo distintos valores de corriente aplicada. Hemos observado que la parte de más baja energía de la distribución de valores del gap es la más afectada bajo la aplicación de corriente. Debido a las grandes dimensiones de la muestra, la distribución de la corriente aplicada a campo cero es inhomogénea a lo largo de su espesor. Teniendo en cuenta esta consideración, nuestras observaciones sugieren que el campo magnético generado por la corriente aplicada podría probablemente ser el responsable del efecto de ruptura de pares observado en la densidad de estados de este compuesto, siendo más significativo en la parte de baja energía de la distribución de valores del gap superconductor. Bajo un campo magnético aplicado de 0.1 T, la distribución de corriente se vuelve homogénea, y podemos observar el efecto de la corriente sobre vórtices superconductores estáticos. Hemos estudiado un pequeño grupo de vórtices y determinado el efecto de la corriente sobre la estructura de estados localizados de Andreev en el núcleo de los vórtices. Observamos que el pico del estado localizado de energía más baja en la densidad de estados se reduce por la aplicación de una corriente. Este efecto se puede entender cualitativamente considerando que NbSe2 es un superconductor multibanda, cuya parte de baja energía de la distribución de valores del gap se pierde fácilmente bajo la acción de la temperatura o del campo magnético. Proponemos que la corriente actúa de manera similar, reduciendo o eliminando totalmente el gap de menor tamaño en partes de la superficie de Fermi. A campos magnéticos más altos, también hemos estudiado la dinámica de la red de vórtices de NbSe2 bajo corriente para temperaturas cercanas a la crítica. Nuestras observaciones sugieren que la corriente favorece la aparición de procesos de activación térmica. Hemos extendido estos estudios en un nanodepósito, donde la densidad de corriente es significativamente más alta y podíamos alcanzar fácilmente valores para la corriente de de-pinning en un rango mayor de temperatura y campo magnético. Concretamente en el caso del nanodepósito basado en W, hemos aplicado una corriente a muy bajas temperaturas y hemos visualizado su acción sobre una pequeña parte de un ramo o "bundle" de vórtices. Hemos estudiado el comportamiento de este sistema aumentando el campo magnético en un potencial de pinning unidimensional bien definido, obtenido durante el proceso de fabricación del nanodepósito. Encontramos que la acción de la corriente se ve favorecida cuando el "bundle" de vórtices está tensionado, pudiendo fluctuar entre diferentes configuraciones de mínima energía. Sin embargo, cuando la tensión se libera mediante un pequeño aumento del campo magnético, este "bundle" alcanza una situación más estable, que coincide con la dirección del potencial de pinning lineal. Estas observaciones sugieren que la corriente ayuda al sistema a comprobar el espacio de fases disponible para alcanzar una situación relajada y estable. Estas observaciones, tanto en NbSe2 como en el nanodepósito basado en W, constituyen, dentro de nuestro conocimiento, la primera visualización directa del movimiento de vórtices bajo la aplicación de una corriente a lo largo de la muestra. Utilizando el mismo STM casero, pero sin aplicar ninguna corriente, hemos caracterizado distintas fases de algunos compuestos de fermiones pesados mediante espectroscopía túnel. Hemos comparado la espectroscopía túnel del fermión pesado CeRu2Si2 y del antiferromagnético CeRh2Si2 en el rango de temperatura comprendido entre 0.15 y 45 K. A 0.15 K la espectroscopía túnel muestra una bajada en forma de V alrededor del nivel de Fermi en ambos compuestos. Ésta desaparece por encima de la temperatura de coherencia en CeRu2Si2, mientras que lo hace por encima de la temperatura de Néel en CeRh2Si2. En este último, se pueden distinguir dos tipos de bajadas en forma de V. La diferente evolución térmica de la espectroscopía túnel encontrada en estos compuestos refleja el establecimiento de distintos estados fundamentales electrónicos. Además, hemos estudiado, también mediante espectroscopía túnel, el superconductor no convencional URu2Si2, utilizando para ello una punta de Al superconductor. Hemos encontrado diferentes rasgos en su espectroscopía túnel cuando la punta de Al utilizada estaba en su estado superconductor (a campo cero) o en su estado normal (bajo la aplicación de un campo magnético pequeño). De estas medidas se puede inferir que la densidad de estados tiene una forma de V a bajas energías, cuyo valor es finito en el nivel de Fermi. Además, los picos de cuasipartículas aparecen a energías cercanas a las que se esperan para el gap superconductor según la teoría BCS. La evolución con la temperatura de los valores para el gap superconductor inferidos sigue las predicciones de la teoría BCS. Estos resultados apuntan hacia una superficie de Fermi con unas estructuras para el gap bastante abiertas y nodos para el gap en este compuesto.