B13 Fuchs, Loewenhaupt Zusammenfassung Kurzversion Neue

B13 Fuchs, Loewenhaupt
Zusammenfassung
Kurzversion
Neue Fragestellungen des in TP B13 untersuchten Zusammenspiels zwischen Supraleitung und
Magnetismus in RNi2B2C-Verbindungen betreffen die Entwicklung von Energielücke, „Gapless“-Supraleitung und Spinfluktuationen in Ho-basierten Einkristallen mit abnehmendem HoGehalt. Außerdem wird die Flussverankerung an magnetischen Domänen in HoNi2B2C behandelt. Fortgesetzt wird das Studium der Elektron-Phonon-Wechselwirkung und des Mehrbandcharakters der Leitungselektronen. Dafür stehen bezüglich Größe und Eigenschaften unikale zonengeschmolzene RNi2B2C-Einkristalle zur Verfügung.
Ausführliche Version
Die Schwerpunkte des Projekts basieren auf den im Rahmen des SFB bisher gewonnenen Ergebnissen zum diffizilen Zusammenhang zwischen Supraleitung und Magnetismus in SeltenerdNickel-Borkarbiden. Die RNi2B2C-Verbindungen sollen in der neuen Förderperiode als Modellsubstanz eingesetzt werden, um solche Phänomene zu studieren, die nicht nur für die untersuchte
Substanzgruppe von Bedeutung sind, sondern universellen Charakter besitzen. Es sollen neue
Fragestellungen aufgegriffen werden wie die Entwicklung der supraleitenden Energielücke, „Gapless“-Supraleitung und Spinfluktuationen in Ho-basierten einkristallinen Borkarbidverbindungen mit zunehmender unmagnetischer Verdünnung der Ho-Konzentration. Außerdem wird die
magnetische Flussverankerung in RNi2B2C-Einkristallen behandelt, wobei der Schwerpunkt auf
der Flussverankerung an kürzlich gefundenen Grenzflächen zwischen Mikrodomänen liegen soll,
die sich im orthorhombischen Kristallgitter im antiferromagnetischen Zustand ausbilden. Die
ebenfalls in das Arbeitsprogramm aufgenommene Suche nach offenen Fermiflächen in LuNi2B2C geht auf entsprechende Hinweise aus eigenen Experimenten an polykristallinen Proben
zurück. Das Studium der Elektron-Phonon-Wechselwirkung sowie des Mehrbandcharakters der
Leitungselektronen soll fortgesetzt werden.
Das Spektrum der makroskopischen Untersuchungsmethoden mit der spezifischen Wärme
und der Magnetisierung in zentraler Rolle wird durch die Punktkontaktspektroskopie und Magnetowiderstandsmessungen ergänzt. Neben ihren klassischen Einsatzgebieten werden Neutronen- und Röntgen-Streuung zur Ermittlung von Informationen über die Leitungselektronen und
ihre Beteiligung am RKKY-Austausch sowie zur Abbildung von magnetischen Domänen herangezogen. Vorwiegend sollen mittels Zonenschmelzen in TP A1 hergestellte HoNi2B2C- und
YNi2B2C-Einkristalle bzw. noch herzustellende LuNi2B2C-Einkristalle untersucht werden, deren
Besonderheiten und Optimierung durch geeignete Wärmebehandlung Gegenstand der jetzt ablaufenden Förderperiode war. Diese Einkristalle sind bezüglich ihrer Größe und ihrer Eigenschaften
unikal. Während gezielte Eigenschaftsänderungen bisher vorwiegend über substitutionelle Unordnungseffekte erzielt wurden, sollen sie nun auch durch Neutronenbestrahlung realisiert werden, wobei sowohl punktförmige Streuzentren als auch größere kolumnare Defekte erzeugt werden sollen. Für einige Fragestellungen sollen zusätzlich ErNi2B2C- und TmNi2B2C-Einkristalle
zum Einsatz kommen, um den Spielraum für das Verhältnis zwischen den Energieskalen für den
Magnetismus und die Supraleitung zu erweitern.
Bericht über die bisherige Entwicklung des Teilprojekts
Die Untersuchung magnetischer Supraleiter gehört seit langem zu den zentralen Themen der Supraleiterforschung. In den seit etwa 30 Jahren bekannten magnetischen Supraleitern wie RMo6S8
[1] und RRh4B4 [2] (R - magnetische Seltenerd-Elemente) liegen die magnetischen Ordnungstemperaturen TN deutlich unterhalb der supraleitenden Übergangstemperaturen Tc, was den Einfluss des magnetischen Untergitters mit lokalisierten 4f-Elektronen auf die Leitungselektronen
und die supraleitenden Eigenschaften beträchtlich einschränkt. Dagegen sind in der Familie der
B13 Fuchs, Loewenhaupt
Seltenerd-Nickel-Borkarbide RNi2B2C (mit R =Y, Lu, Sc, Tm, Er, Ho, Dy) Tc und TN vergleichbar, was mit einer relativ starken Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten und
den Leitungselektronen einher geht. Für die Absenkung von Tc durch magnetische Paarbrechung
und für die Néeltemperatur TN ergibt sich näherungsweise eine gemeinsame Skalierung mit dem
de Gennes-Faktor DG = (g-1)2 J(J+1). Die Tc-Absenkung wird in der Abrikosov-Gorkov-Theorie
[3] für den Fall geringer Konzentration paramagnetischer Verunreinigungen behandelt. Durch
Variation der Seltenen Erde R sowie partielle Substitutionen am Seltenerd- oder am Ni-Platz
können die magnetischen und Transporteigenschaften gezielt modifiziert werden, um so für verschiedene Relationen zwischen den zugrundeliegenden Wechselwirkungen die wechselseitige
Beeinflussung von Supraleitung und Magnetismus zu untersuchen. Aufbauend auf den umfangreichen Untersuchungen der Basis-Eigenschaften in den ersten beiden Förderperioden, wurde die
gegenwärtige Förderperiode verstärkt dem Studium des Wechselspiels zwischen den beiden
Phänomenen gewidmet.
Schwerpunkte bei der Untersuchung der Supraleitung waren
• der Einfluss von Unordnungseffekten und Platzfehlbesetzungen hervorgerufen durch partielle Elementsubstitutionen sowie eine gezielte Wärmebehandlung von Einkristallen und
• die Untersuchung von Phononenspektren und der Spektralfunktion mittels inelastischer
Neutronenstreuung und Punktkontaktspektroskopie,
um Rückschlüsse zu ziehen auf
• den s-wellenartigen Charakter der Supraleitung und die Beschreibung mittels BCSTheorie,
• den Mehrbandcharakter mit einer starken Varianz der Eigenschaften der Leitungselektronen in den verschiedenen Bändern,
• die starke Elektron-Phonon-Kopplung und
• die supraleitende Energielücke.
Auf diese Erkenntnisse aufbauend konzentrierte sich das Studium des Magnetismus und seines
Wechselspiels mit der Supraleitung auf
• die Aufklärung der komplexen magnetischen Phasendiagramme und der magnetischen
Strukturen,
• die Untersuchung kurzreichweitiger magnetischer Korrelationen für Temperaturen knapp
oberhalb des Einsetzens der magnetischen Ordnung,
• die detaillierte Analyse der Gitterverzerrungen auf Grund der magneto-elastischen Wechselwirkung und der Eigenschaften der entstehenden Mikrodomänen sowie
• die Bestimmung kritischer Ströme und Magnetfelder,
um durch den Vergleich und die Korrelation verschiedener innerhalb des TP B13 als auch in den
anderen Teilprojekten gewonnener Ergebnisse an identischen Proben Aussagen zu
• der Abhängigkeit der paarbrechenden Wirkung der magnetischen Momente in den verschiedenen Ordnungszuständen und den Konsequenzen für die Transporteigenschaften,
• den verschiedenen Zentren für die Verankerung von Flusslinien und
• dem Charakter bzw. der Beteiligung der Leitungselektronen an der Supraleitung und dem
dominierenden magnetischen Austausch vom RKKY-Typ zu gewinnen.
Hierbei gelang es insbesondere durch den Zugriff auf polykristalline Proben aus dem eigenen TP,
auf sehr gut charakterisierte zonengeschmolzene Einkristalle aus TP A1 sowie auf flussgezogene
Einkristalle aus der Arbeitsgruppe von Prof. Canfield, Ames Laboratory, die Systematik in den
Messungen voranzutreiben und damit die intrinsischen von proben- bzw. herstellungsspezifischen Eigenschaften zu trennen. Zusätzlich zu den Möglichkeiten innerhalb des SFB 463 konnte
durch die enge Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Dr. P. Allenspach, PSI Villigen, und
durch die Gastaufenthalte von Dr. A. Kreyßig in den Arbeitsgruppen von Prof. A. Goldman,
Ames Laboratory, und von Prof. J. Lynn, NIST Gaithersburg, ein schneller und umfangreicher
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Zugriff auf Instrumente zur Streuung von Neutronen und Röntgenstrahlung aus Synchrotronquellen erreicht werden.
Durch die innerhalb des TP B13 umgesetzte Kombination von makroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden wurden nicht nur Kenntnisse über die Kopplungsmechanismen in den Nickel-Borkarbiden RNi2B2C gewonnen, sondern es konnten diese auch auf andere Verbindungen angewandt werden. So konnte z. B. das für RNi2B2C (R = Y, Lu) entwickelte
Zweiband-Modell für das obere kritische Feld Hc2(T) auf MgB2 übertragen werden. Die im TP
B13 untersuchten Verbindungen stellen mit ihren supraleitenden Übergangstemperaturen zwischen etwa 2 und 16 K eine wichtige Brücke zwischen den Schwere-Fermionen- und den Hochtemperatur-Supraleitern dar, deren supraleitende Eigenschaften in jüngster Zeit zunehmend im
Zusammenhang mit magnetischen Korrelationen und Fluktuationen diskutiert werden.
Elektronische spezifische Wärme und Unordnungseffekte in R(Ni1-x,Ptx)2B2C (R = Y, Lu)
ces (mJ/mol K)
In nichtmagnetischen Lu(Ni1-x,Ptx)2B2C-Verbindungen wurden Unordnungseffekte auf den für
die Supraleitung relevanten Ni-Plätzen in Hinblick auf das obere kritische Feld Hc2(T) und die
elektronische spezifische Wärme im Mischzustand studiert. Messungen von Hc2(T) zeigten für
die Lu(Ni1-x,Ptx)2B2C-Mischreihe wie schon für die früher untersuchten Y(Ni1-x,Ptx)2B2C-Proben
mit zunehmender Unordnung einen Übergang vom „clean-limit“ zum „quasi-dirty limit“, allerdings bei einer etwas höheren Pt-Konzentration von etwa 20 % /FMD04/, /LDF03/, /DLM02/,
/FMF02/, während dieser Übergang für die Y-Verbindungen bei 10 % beobachtet wurde. Der
vom „clean-limit“ zum „quasi-dirty limit“ beobachtete Übergang kann mit realistischen Parametern in einem Zweibandmodell für Hc2(T) [4] reproduziert werden.
Eine Besonderheit des „clean-limit“ für die undotierten RNi2B2C-Proben ist, dass die elektronische spezifische Wärme im supraleitenden Zustand ces einem Potenzgesetz ces(T) ∼ T3 folgt,
was in der Einbandbeschreibung mit „point-nodes“ in der supraleitenden Energielücke konsistent
ist. Im Falle von anisotroper s-Wellen-Supraleitung ist für zunehmende Streuung der Übergang
zur typischen exponentiellen ces(T)-Abhängigkeit zu erwarten, ein Test, der zu Beginn der Förderperiode noch ausstand. Darüber hinaus wurde zu diesem Zeitpunkt in einem LuNi2B2CEinkristall überraschenderweise eine exponentielle ces(T)-Abhängigkeit gefunden [5].
In Abb. 1 ist gezeigt, dass die für YNi2B2C gefundene kubische Temperaturabhängigkeit
ces(T) ∼ T3 für Y(Ni0.8Pt0.2)2B2C, d. h. einen Pt-Gehalt von 20 %, in eine exponentielle ces(T)Abhängigkeit übergeht /FMD04/, wie es im Fall
von anisotroper s-Wellen-Supraleitung bei star100
Y(Ni1-xPtx)2B2C
ker Streuung an Verunreinigungen zu erwarten
ist.
x=0
Die untersuchte LuNi2B2C-Probe wies ein
10
3
hohes Restwiderstandsverhältnis von RRR = 44
(T/T c)
auf, ein Hinweis auf die gute Probenqualität.
x = 0.2
Eine typische Besonderheit von LuNi2B2C, die
1
auch für die untersuchte Probe gefunden wurde,
exp(-αT c/T)
besteht darin, dass sich bei Extrapolation der im
Nullfeld gemessenen spezifischen Wärme im
0.1
1 2 3
4 5
6 7 8
supraleitenden Zustand auf T = 0 ein endlicher
Tc / T
Wert ergibt. Dieser kleine Restbeitrag, der im
2
Bereich von δcp/T = 0,5 mJ/(mol K ) liegt, kann Abb. 1: Im Nullfeld gemessene elektroninur durch Verunreinigungen erklärt werden und sche spezifische Wärme von zwei Y(Ni1ist abzuziehen, um die elektronische spezifische x,Ptx)2B2C-Proben (ohne und mit 20 % Pt)
Wärme zu bestimmen. An Hand der für die un- als Funktion von Tc/T.
tersuchte Probe erhaltenen Daten wurde gezeigt,
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dass unter diesen Umständen eine eindeutige Bestimmung der Temperaturabhängigkeit von
ces(T) extrem schwierig ist. So ergibt sich für δcp/T = 0,5 mJ/(mol K2) ein Potenzgesetz für ces(T),
während bereits ein geringfügig höherer Wert von δcp/T = 0,8 mJ/(mol K2) ein exponentielles
ces(T)-Gesetz vorspiegeln würde. Insofern verhält sich LuNi2B2C vermutlich genau so wie
YNi2B2C, ohne dass dies bisher eindeutig verifiziert werden kann.
Besonderheiten zonengeschmolzener HoNi2B2C-Einkristalle – Fehlbesetzungen
Die mittels Zonenschmelzen im TP A1 hergestellten Einkristalle müssen im Gegensatz zu den
üblichen, aus dem Fluss gezogenen, plättchenförmigen Einkristallen einer nachfolgenden Wärmebehandlung ausgesetzt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen /SBL05/. Um
optimale Parameter dieser Wärmebehandlung zu ermitteln, wurden in Zusammenarbeit mit TP
A1 und A2 aufwendige Untersuchungen an HoNi2B2C-Einkristallen durchgeführt und Korrelationen zwischen den Eigenschaften und der Besetzung von Gitterplätzen im Kristall bei unterschiedlicher Wärmebehandlung bestimmt. Hierbei konnte auf die in der letzten Förderperiode in
Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Braun, Universität Bayreuth, gewonnen Erkenntnisse an polykristallinen HoNi2B2C-Proben aufgebaut werden [6]. Die Besetzung von Gitterplätzen wurde dabei im TP A2 über die Verteilung der Elektronendichte mittels Einkristallröntgendiffraktometrie untersucht.
Erwartungsgemäß kommt es im Ausgangszustand, d. h. für den unbehandelten Einkristall
bzw. bei nicht optimalen Parametern der Wärmebehandlung zu Fehlbesetzungen auf den Borund Kohlenstoffplätzen, durch die die supraleitenden Parameter wie Tc und Hc2 deutlich herabgesetzt werden. Dies ist beispielhaft im linken Teilbild von Abb. 2 gezeigt. Nach der optimalen
Wärmebehandlung (1000°C, gefolgt von langsamer Abkühlung auf 500°C) sind die Bor- und
Kohlenstoffplätze richtig besetzt.
B
C
B
6
5
Upper critical field (kOe)
Upper critical field (kOe)
6
as grown
4
3
H II (001)
2
1
H||(110)
0
0
2
4
6
Temperature (K)
8
5
H II (001)
4
3
2
H||(110)
1
0
0
2
4
6
8
Temperature (K)
Abb. 2: Temperaturabhängigkeit des oberen kritischen Feldes Hc2(T) eines HoNi2B2C-Einkristalls für
Felder H || (001) und H || (110) im Ausgangszustand (links) und nach einer Wärmebehandlung bei
1000°C, gefolgt von einer langsamen Abkühlung auf 500°C (rechts). Dazu sind in den oberen Teilbildern
die entsprechenden Verteilungen der Elektronendichte gezeigt.
B13 Fuchs, Loewenhaupt
Das führt zu einem deutlichen Anstieg von Tc und Hc2. Auffällig ist darüber hinaus, dass für die
optimierte Probe die Anisotropie von Hc2 für Magnetfelder in (001)- und (110)-Richtung im antiferromagnetisch geordneten Zustand unterhalb TN ≈ 5 K verschwindet (siehe rechtes Teilbild von
Abb. 2). Dagegen zeigt Hc2(T) im Bereich der Hc2-Maxima die erwartete Anisotropie. Dabei ist
Hc2 für H || (110) gegenüber Hc2 für H || (001) deutlich abgesenkt. Das ist auf die paarbrechende
Wirkung der lokalen Magnetisierung der in der (ab)-Ebene liegenden Ho-Momente zurückzuführen, die sich in einer ausgeprägten Anisotropie der Magnetisierung für T > Tc äußert.
Die Isotropie von Hc2(T) unterhalb TN ist ein klarer Beweis für den Mehrbandcharakter von
HoNi2B2C. Die entsprechenden Bereiche der Fermifläche müssen weitgehend abgekoppelt sein
von jenen, die für Hc2(T) oberhalb von TN verantwortlich sind und sich im Einflussbereich der
lokalen Magnetisierung der Ho-Momente befinden.
Elektron-Phonon-Kopplung in RNi2B2C für R = Ho und Tb
Die Supraleitung in RNi2B2C wird mittels der BCS-Theorie beschrieben, wobei die CooperPaare durch eine starke Elektron-Phonon-Kopplung gebildet werden. Ein korrespondierendes
starkes Weichwerden von Phononen niedriger Energie wurde für den akustischen und den ersten
optischen 4-Zweig in den supraleitenden Verbindungen mit R = Lu, Y und Er durch andere
Gruppen beobachtet. Die eigenen Untersuchungen mittels inelastischer Neutronenstreuung gingen der Fragestellung nach, ob dieses Weichwerden für die Supraleitung entscheidend ist. Hierzu
wurde das Verhalten von supraleitendem HoNi2B2C mit dem von nicht supraleitendem
TbNi2B2C verglichen /KSR04a/. Gleichzeitig konnte ein möglicher Einfluss von verschiedenen
magnetischen Ordnungen auf diese Phononen bestimmt werden. Die erforderlichen großen Einkristalle wurden im TB A1 durch Zonenschmelzen hergestellt. Zur Extraktion der Informationen
über die Phononen mussten diese von Kristallfeldanregungen separiert werden /KSR04b/, deren
Lagen sehr gut mit Daten überein stimmen, die an polykristallinen Proben in der vorhergehenden
Förderperiode ermittelt wurden.
Wie in Abb. 3 zu sehen ist, tritt in HoNi2B2C ein starkes Weichwerden der niederenergetischen Phononen ähnlich dem Verhalten in den bereits untersuchten supraleitenden RNi2B2CVerbindungen auf. Das Absenken der Anregungsenergien für Wellenvektoren um (0.5 0 0) erfolgt graduell von Raumtemperatur bis 2 K, wobei das Einsetzen der antiferromagnetischen Ordnung unterhalb von 6 K keine Auswirkungen auf die beiden Phononenzweige hat. Im Gegensatz
20
20
TbNi2B2C
HoNi2B2C
15
h¯ ω [meV]
15
h¯ ω [meV]
T=2K
T= 2K
T = 100 K
10
5
5
0
0.0
10
0.2
0.4
0.6
(ξ 0 0)
0.8
1.0
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(ξ 0 0)
Abb. 3: Niederenergetische 4-Phononen in HoNi2B2C (links) und TbNi2B2C (rechts) gemessen
entlang ( 0 0) an den Neutronenspektrometern BT2 (NIST Gaithersburg) und 1T1 (LLB Saclay).
Die gestrichelten Linien dienen der Orientierung.
ξ
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hierzu sind im nicht supraleitendem TbNi2B2C keine temperaturabhängigen Änderungen der
Phonondispersion zu finden. Diese Korrelation zwischen dem Auftreten des Weichwerdens bestimmter Phononen und der Supraleitung unterstreicht die Rolle der Elektron-Phonon-Kopplung
in RNi2B2C-Verbindungen und eine BCS-gemäße Beschreibung. Trotz der nachgewiesenen starken magneto-elastischen Wechselwirkungen nimmt der Magnetismus keinen merklichen Einfluss auf das Phononensystem.
Phononenspektrum und Spektralfunktion von HoNi2B2C
Das Phononenspektrum von HoNi2B2C wurde aus Messungen der spezifischen Wärme im
Normalzustand (zwischen Tc und 300 K) bestimmt. Zur Analyse der spezifischen Wärme im
Normalzustand wurde ein spezielles Computerprogramm HEAT ("a specific Heat Excitation
Analysis Tool") geschrieben. Basierend auf einer Linearkombination bekannter Modelle (Debyeund Einstein-Modelle) der spezifischen Wärme konnte ein Algorithmus entwickelt werden, der
mit minimalem Zeitaufwand die vorhandenen phononischen Strukturen in akzeptabler Energieauflösung ermittelt. Aus dem resultierenden Phononenspektrum für HoNi2B2C, das im Einschub
von Abb. 4 dargestellt ist, ergibt sich eine charakteristische Phononenfrequenz von ωln = 180 K,
was gut mit dem Wert für LuNi2B2C übereinstimmt, während YNi2B2C mit ωln = 250 K bekanntlich eine deutlich höhere charakteristische Phononenfrequenz aufweist. Insofern ist LuNi2B2C
bezüglich der Gitterschwingungen ein natürliches nichtmagnetisches Referenzsystem für HoNi2B2C.
Zusätzlich wurde mittels Punktkontaktspektroskopie (PKS) die Elektron-Phonon-Spektralfunktion α2F(ω) von HoNi2B2C untersucht /NKY05/. Durch Anpassung der Breite und Höhe
der Einstein- und Debye-Peaks des Phononenspektrums ergibt sich eine bemerkenswert gute
Übereinstimmung der Lage der Peaks für beide Methoden, wie aus Abb. 4 ersichtlich ist. Abweichend davon weist die mittels PKS gemessene Spektralfunktion einen zusätzlichen Peak bei
3,5 meV auf. Dass dieser Peak nicht durch spezifische Wärmemessungen reproduziert werden
konnte, ist offensichtlich auf das oben beschriebene Weichwerden niedrig liegender akustischer
Schwingungen zurückzuführen.
Abb. 4: Spektralfunktion α2F(ω) von HoNi2B2C aus Punktkontaktspektroskopie-Messungen
(offene Kreise) und abgeleitet aus dem Phononenspektrum (durchgezogene Kurve). Einschub:
aus der spezifischen Wärme bestimmtes Phononenspektrum.
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Starke Elektron-Phonon-Kopplung in MgCNi3
Der perovskitische Supraleiter MgCNi3 (Tc ≈ 7 K) wurde auf Grund seiner strukturellen Verwandtschaft mit den Borkarbiden in die Untersuchungen einbezogen. Durch detaillierte Messungen der spezifischen Wärme dieses neuen Supraleiters im normalleitenden und supraleitenden
Zustand, Bandstrukturrechnungen (von Dr. H. Rosner aus dem MPI CPfS durchgeführt) /RJP04/
und eine theoretische Analyse konnten wir in enger Zusammenarbeit mit TP B10 nachweisen,
dass MgCNi3 eine starke Elektron-Phonon-Kopplung aufweist /WFM04/, /WFM05/. Allerdings werden die Eigenschaften dieses Supraleiters durch Spinfluktuationen beeinflusst, die besonders stark ausgeprägt sind, weil sich dieser nicht-magnetische Supraleiter an der Grenze zu
einer ferromagnetischen Instabilität befindet. Diese Spinfluktuationen führen zu einem starken
Anstieg der spezifischen Wärme bei tiefen Temperaturen und einem analogen Anstieg der magnetischen Suszeptibilität. Durch Abschätzung der paarbrechenden Wirkung dieser Spinfluktuationen konnten wir zeigen, dass die Sprungtemperatur von MgCNi3 von Tc ≈ 7 K (mit Spinfluktuationen) ohne diese Spinfluktuationen bis auf Tc ≈ 20 K ansteigen würde /WFM05/.
Im Vergleich mit den Borkarbid-Supraleitern ist der Mehrbandcharakter von MgCNi3 deutlich schwächer ausgeprägt, so dass Hc2(T) und die spezifische Wärme im Rahmen eines effektiven Einbandmodells beschrieben werden können. Dagegen werden andere Eigenschaften wie die
Eindringtiefe und Transporteigenschaften wie Halleffekt und thermoelektrischer Effekt nur im
Rahmen eines Zweibandmodells verständlich /WFM04/.
Supraleitende Energielücke für RNi2B2C (R = Y und Ho)
Die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke wurde durch Punktkontaktspektroskopie-Untersuchungen für YNi2B2C-Dünnschichten /BNY05/ und HoNi2B2C-Einkristalle
/NKY05/ bestimmt. Für die YNi2B2C-Dünnschichten variierte die Energielücke (parallel zur
c-Achse) bei T = 0 für unterschiedliche Schichten im Bereich zwischen ∆min ≈ 1,5 meV und
∆max ≈ 2,4 meV /BNY05/. Dabei war 2∆max/kBTc ≈ 3,7 vergleichbar mit dem BCS-Wert von 3,52.
Die Temperaturabhängigkeit der Energielücke ω(T) war in allen Fällen BCS-ähnlich. Es ist anzunehmen, dass die gefundene Variation der ω(0)-Werte sowohl durch die Anisotropie der Energielücke als auch durch den Zweibandcharakter des Supraleiters beeinflusst wird.
Für den untersuchten HoNi2B2C-Einkristall wurde gefunden, dass die parallel zur c-Achse
gemessene Energielücke ω(T) deutlich unterhalb von Tc = 8,5 K bereits bei T* = 5,6 K verschwindet. Dabei wurde unterhalb T* eine BCS-ähnliche Abhängigkeit der Energielücke gefunden /NKY05/. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für polykristallines HoNi2B2C berichtet [7].
Supraleitung ohne Energielücke („gapless“ – Supraleitung) wird in der Abrikosov-GorkovTheorie [3] auf paramagnetische Verunreinigungen zurückgeführt, wobei die Energielücke nicht
mehr dem supraleitenden Ordnungsparameter entspricht, sondern bei einer Temperatur T* unterhalb Tc verschwindet, wobei Tc mit dem Ordnungsparameter verknüpft ist.
Magnetische Korrelationen in TbNi2B2C und HoNi2B2C – Informationen über die an der RKKYWechselwirkung beteiligten Elektronen – Mehrbandcharakter
An nicht-supraleitenden TbNi2B2C- und supraleitenden HoNi2B2C-Einkristallen wurde mittels
Neutronendiffraktion die diffuse Streuung auf Grund kurzreichweitiger magnetischer Korrelationen knapp oberhalb der magnetischen Ordnungstemperaturen untersucht. In Abb. 5 sind die
Streubilder einer reziproken Ebene für beide Verbindungen gegenübergestellt.
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Das Auftreten von magnetischer diffuser Streuintensität (dunkle Bereiche) ist für beide Verbindungen qualitativ gleich, wenn die Überlagerung mit der Winkelabhängigkeit der Streuintensität auf Grund der verschiedenen Momentrichtungen berücksichtigt wird. Die durch die diffuse
Streuintensität angezeigten kurzreichweitigen Korrelationen der lokalen Tb3+- bzw. Ho3+Momente verdeutlichen, dass die magnetischen RKKY-Austauschwechselwirkungen in beiden
Verbindungen sehr ähnlich sind, was bisher zwar auf Grund der Kenntnisse der elektronischen
Struktur theoretisch vorhergesagt wurde, jedoch hier erstmals umfassend experimentell gezeigt
werden konnte. Die große Vielfalt der magnetischen Strukturen im geordneten Zustand wird
durch die aus den Kristallfeldeffekten resultierende Anisotropie und die daran gekoppelte Auswahl von Propagationsvektoren auf Grund von Symmetriebeziehungen hervorgerufen.
In einem weitergehenden Schritt konnte eine für das Verständnis des Wechselspieles von Magnetismus und Supraleitung in dieser Substanzklasse wichtige Frage geklärt werden, ob die an
der RKKY-Wechselwirkung beteiligten Leitungselektronen Cooper-Paare bilden oder nicht.
Parallel zum Neutronenstreuexperiment wurde in-situ die magnetische Suszeptibilität bestimmt.
Dadurch konnten exakt unter- bzw. oberhalb der supraleitenden Übergangstemperatur Neutronenbilder aufgenommen werden. Der Vergleich der diffusen Streuung im supraleitenden Zustand
mit der im normalleitenden Zustand ergibt wiederum keine qualitativen und, abgesehen von den
Abb. 5: Links: Diffuse Neutronenstreuung in der (H0L)-Ebene gemessen an TbNi2B2C- und
HoNi2B2C-Einkristallen knapp oberhalb der magnetischen Ordnungstemperaturen (Instrument
E2, HMI Berlin). Rechts: Präparierte HoNi2B2C-Probe mit Spulensystem zur in-situ Messung der
magnetischen Suszeptibilität (Entwicklung mit TP B17).
zu erwartenden allgemeinen temperaturabhängigen Veränderungen, auch keine quantitativen
Unterschiede. D. h. die magnetischen Wechselwirkungen sind in beiden Zuständen gleich. Da
der magnetische Austausch in Form der RKKY-Wechselwirkung von Leitungselektronen vermittelt wird, ergibt sich, dass diese Leitungselektronen durch das Einsetzen der Supraleitung nicht
beeinflusst werden, d. h. auch nicht an der Supraleitung beteiligt sind. Dies ist ein weiterer Hinweis auf den Mehrbandcharakter in HoNi2B2C.
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Magnetisches Phasendiagramm und magnetische Strukturen von HoNi2B2C – Zusammenhang
zu Besonderheiten im Hc2(T)-Verlauf
Der ungewöhnliche Hc2(T)-Verlauf für HoNi2B2C (Abb. 6) ist eng mit dem Auftreten von drei
antiferromagnetischen Strukturen im Nullfeld sowie metamagnetischen Überstrukturen verknüpft. Letztere werden bei Anlegen eines Magnetfeldes in der ab-Ebene als metamagnetische
Übergänge sichtbar. Die Temperaturabhängigkeit der Phasengrenzen zwischen dem antiferromagnetisch (afm) geordneten Zustand, den magnetischen Überstrukturen und dem paramagnetisch
gesättigten Zustand wurde an zonengeschmolzenen HoNi2B2C-Einkristallen durch Magnetisierungs- und spezifische Wärmemessungen bestimmt.
Das resultierende H-T-Phasendiagramm in Abb. 6 zeigt, dass Hc2(T) unterhalb 5 K weitgehend im Bereich der gewöhnlichen antiferromagnetischen (afm) Struktur, d. h. unterhalb HN(T)
liegt, was ein Hinweis auf die Koexistenz zwischen Supraleitung und der afm-Struktur ist. Die
beobachte Hc2-Anomalie (zwischen Maximum und Minimum von Hc2) liegt im Bereich der magnetischen Überstrukturen. Diese Überstrukturen, die im Gegensatz zur afm-Struktur mit einem
Nettomoment (in der ab-Ebene) verbunden sind, führen zu einer deutlichen Unterdrückung von
Hc2 für äußere Felder H || [110]. Abweichend davon wächst Hc2(T) unterhalb des Schnittpunkts
mit HN(T) bei 3,5 K mit sinkender Temperatur weiter an, also im Bereich einer magnetischen
Überstruktur. Dieser scheinbare Widerspruch legt nahe, dass neben den in Abb. 6 eingezeichneten magnetischen Strukturen mit Stapelfolgen in c-Richtung weitere Besonderheiten in der magnetischen Ordnung vorliegen müssen.
Hc2(T)
HN(T)
paramagnetic
Hirr(T)
Abb. 6: Magnetisches Phasendiagramm für HoNi2B2C für Magnetfelder in [110]-Richtung. Neben dem oberen kritischen Feld Hc2(T) sind das Irreversibilitätsfeld Hirr(T), die Grenzlinie HN(T)
zwischen der afm-Struktur und der durch
gekennzeichneten metamagnetischen Überstruktur
und Grenzlinien (∇, ×) zwischen weiteren magnetischen Überstrukturen eingezeichnet. Die Pfeile
geben die Abfolge der Orientierung der in den ab-Ebenen ferromagnetisch ausgerichteten HoMomente entlang der c-Richtung an.
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Abb. 7: Links: Neutronenstreuung in der (H0L)-Ebene von HoNi2B2C bei T = 5.3 K im Bereich
der Hc2-Anomalie (Instrument E2, HMI Berlin). Die verschiedenen koexistierenden Propagationsvektoren sind schwarz markiert. Die drei waagerechten Pfeile markieren die drei Satellitenreflexe (0.58 0 0.91), (0.58 0 1) und (0.58 0 1.09), anhand derer die Verschränkung der Propagationsvektoren τ1 + τ3 = (0 0 1) + (0.58 0 0) sowie τ2 + τ3 = (0 0 0.91) + (0.58 0 0) nachgewiesen
wird. Rechts: Veranschaulichung der magnetischen Struktur mit dem verschränkten Propagationsvektor τ1 + τ3. Die durch breite Pfeile veranschaulichten magnetischen Ho-Momente sind
zum einen entsprechend τ1 in c-Richtung antiparallel gestapelt sowie zusätzlich innerhalb der abEbene entsprechend τ3 moduliert.
Umfangreiche Neutronendiffraktionsexperimente dienten neben der Lösung dieses Problems
und der Bestimmung der verschiedenen magnetischen Strukturen im Phasendiagramm der seit
langem offenen Frage, ob die im Bereich der Hc2-Anomalie beobachteten magnetischen Modulationen mit den Propagationsvektoren τ1 = (0 0 1), τ2 = (0 0 0.91) und τ3 = (0.58 0 0) im gleichen
Volumenelement koexistieren oder ob eine Phasenseparation auftritt. Wie in Abb. 7 gezeigt,
können antiferromagnetische Satellitenreflexe mit den verschränkten Propagationsvektoren
τ1 + τ3 und τ2 + τ3 nachgewiesen werden. Dies bedeutet, dass die beiden Modulationen in
c-Richtung jeweils mit der Modulation in a-Richtung koexistieren können.
Die sehr aufwendige Bestimmung der vielfältigen magnetischen Strukturen im magnetischen
Phasendiagramm von HoNi2B2C mittels Neutronendiffraktion wurde in enger Zusammenarbeit
mit der Arbeitsgruppe von Dr. Allenspach, PSI Villigen, durchgeführt. Dabei konnten im Magnetfeld mehrere bisher unbekannte magnetische Strukturen nachgewiesen werden, die in enger
Beziehung zu den im Nullfeld auftretenden inkommensurablen magnetischen Strukturen stehen.
Neben den für parallel zur schweren Richtung [100] in der ab-Ebene gefundenen inkommensurablen Strukturen wurden solche auch für Magnetfelder parallel zur leichten Richtung [110]
oberhalb der Phasengrenze bei 1 T gefunden. Daraus ergibt sich eine Fortentwicklung des in
Abb. 6 dargestellten Phasendiagramms für HoNi2B2C. Weiterhin wurden in ACSuszeptibilitätsmessungen im Bereich der Hc2-Anomalie bei 5.3 K und der Umgebung der
Schnittpunkte der Phasengrenzen bei 0.2 - 0.4 T extrem starke magnetische Fluktuationen nachgewiesen, denen eine paarbrechende Wirkung zugeordnet werden kann.
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Kritische Ströme und Flussverankerung in HoNi2B2C-Einkristallen
Die magnetische Flussverankerung in zonengeschmolzenen HoNi2B2C-Einkristallen wurde
durch Messungen der kritischen Stromdichte jc(H, T) und des Irreversibilitätsfeldes Hirr(T) untersucht. Der Temperaturverlauf des Irreversibilitätsfeldes folgt für alle Feldorientierungen exakt
dem Verlauf von Hc2(T), wie in Abb. 6 am Beispiel von H || [110] gezeigt ist. Dabei liegt Hirr fast
im gesamten Temperaturbereich jeweils etwa 20-30 % unterhalb von Hc2. Dementsprechend ist
der Bereich der Vortex-Flüssigkeit zwischen Hc2(T) und Hirr(T), in dem jc verschwindet, für einen
Supraleiter mit einem so niedrigen Tc überraschend breit ausgedehnt. Andererseits wurde für
Felder H < Hirr im gesamten Temperaturbereich Volumenpinning mit kritischen Stromdichten
bis zu 10 kA/cm2 gefunden, ganz im Gegensatz zu bisherigen Ergebnissen für aus dem Fluss hergestellte Einkristalle, in denen das Volumenpinning auf den Temperaturbereich der Hc2(T)Anomalie zwischen 5 und 6 K beschränkt ist [8].
Für die hohen kritischen Stromdichten bei tiefen Temperaturen sind vermutlich die Grenzflächen zwischen Mikrodomänen verantwortlich, in die der Kristall unterhalb 5 K durch magnetoelastische Verzerrungen zerfällt. Die Auswirkungen der magneto-elastischen Kopplung auf die
Kristallstruktur mit einer resultierenden Verzerrung der Elementarzelle wurden in der vorhergehenden Förderperiode für die gesamte Verbindungsreihe der Nickel-Borkarbide RNi2B2C untersucht. Da durch die magnetische Ordnung die Symmetrie von tetragonal zu orthorhombisch abgesenkt wird, kommt es zur Herausbildung von Domänen, in denen sowohl die antiferromagnetische Ordnung in der Richtung ihrer lokalen magnetischen Momente variiert als auch die Gitterverzerrung in verschiedenen Richtungen wirkt. In vergleichenden Neutronendiffraktionsuntersuchungen an TbNi2B2C-Einkristallen verschiedener Quellen und Herstellungsverfahren konnte
gezeigt werden, dass sich in allen Fällen ein regelmäßiges Domänenmuster ergibt und die typische Domänengröße in einer Richtung innerhalb der ab-Ebene nur ca. 20 nm beträgt /KSD03/.
Die Ausprägung und Perfektion der Domänenmuster ist von den Herstellungsbedingungen abhängig und kann qualitativ mit den Erkenntnissen aus den Wärmebehandlungsversuchen an zonengeschmolzenen HoNi2B2C-Einkristallen korreliert werden.
Literaturzitate:
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B13 Fuchs, Loewenhaupt
Liste der aus dem Teilprojekt seit der letzten Antragstellung entstandenen Publikationen
I. Referierte Veröffentlichungen
a) in wissenschaftliche Zeitschriften
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of RENi2B2C (RE=Ho, Tb, Y), Journal of Crystal Growth 275, e91 (2005)
/NKY05/ Yu.G. Naidyuk, O.E. Kvitnitskaya, I.K. Yanson, G. Fuchs, K. Nenkov, S.L. Drechsler,
G. Behr, D. Souptel, K. Gloos, Point-contact investigations of challenging superconductors:
two-band MgB2, antiferromagnetic HoNi2B2C, heavy-fermion UPd2Al3, paramagnetic MgCNi3,
Physica B 359, 469 (2005)
/KSR04a/ A. Kreyssig, O. Stockert, D. Reznik, F.M. Woodward, J.W. Lynn, W. Reichardt, D.
Souptel, G. Behr, M. Loewenhaupt, Low-energy phonons in TbNi2B2C and HoNi2B2C, Physica B
350, 69 (2004)
/KSR04b/ A. Kreyssig, O. Stockert, D. Reznik, F.M. Woodward, J.W. Lynn, H. Bitterlich, D.
Souptel, G. Behr, M. Loewenhaupt, Magnetic excitations of RNi2B2C single crystals with R = Tb
and Ho, Physica C 408-410, 100 (2004)
/FMD04/ G. Fuchs, K.-H. Müller, S.-L. Drechsler, S. Shulga, K. Nenkov, J. Freudenberger, G.
Behr, D. Souptel, A. Handstein, A. Wälte, D. Lipp, L.C. Gupta, Non-magnetic superconducting
R(Ni,Pt)2B2C compounds (R = Y, Lu) in the clean and dirty limit, Physica C 408-410, 107 (2004)
/WFM04/ A. Wälte, G. Fuchs, K.-H. Müller, A. Handstein, K. Nenkov, V.N. Narozhnyi, S.-L.
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MgCNi3, Phys. Rev. B 70, 174503 (2004)
/RJP04/ H. Rosner, M.D. Johannes, W.E. Pickett, G. Fuchs, A. Wälte, S.-l. Drechsler, S.V.
Shulga, K.-H. Müller, A. Handstein, K. Nenkov. J. Freudenberger, L. Schultz, Superconductivity
and electronic structure in MgCNi3, Physica C 388-389, 563 (2003)
/FDM03/ G. Fuchs, S.-L. Drechsler, K.-H. Müller, A. Handstein, S.V. Shulga, G. Behr, A. Gümbel, J. Eckert, K. Nenkov, V.N. Narozhnyi, L. Schultz, H. Eschrig, S. Otani, H. Rosner and E.E.
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/KSD03/ A. Kreyssig, O. Stockert, A. Dreyhaupt, E. Ressouche, B. Grenier, C. Ritter, H. Bitterlich, G. Behr, P. Canfield, M. Loewenhaupt, Magnetic order of TbNi2B2C, J. Low Temp. Phys.
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/SGL03/ M. Schneider, A. Gladun, D. Lipp, A. Handstein, H. Vinzelberg, S.-L. Drechsler, K.-H.
Müller, A.T. Burkov, Thermoelectric power of hot deformed MgB2, Physica C 388, 123 (2003)
B13 Fuchs, Loewenhaupt
/FMF02/ G. Fuchs, K.-H. Mueller, J. Freudenberger, K. Nenkov, S.-L. Drechsler, S.V. Shulga,
D. Lipp, A. Gladun, T. Cichorek, P. Gegenwart, Influence of disorder on superconductivity in
non-magnetic rare-earth nickel borocarbides, PRAMANA-Journal of Physics 58, 791 (2002)
b) auf wesentlichen Fachkongressen
/WFM05/ A. Wälte, G. Fuchs, K.-H. Müller et al., Strong electron-phonon coupling and sizeable
depairing in MgCNi3, Chinese Journal of Physics 43, No.3-II (2004 Taiwan International Conference on Superconductivity, Penghu Taiwan).
c)
in monographische Reihen
/FDS02/ G. Fuchs, S.-L. Drechsler, S.V. Shulga, A. Handstein, V. Narozhnyi, K. Nenkov, K.-H.
Müller, The upper critical field and the irreversibility line of MgB2, In: Studies of High-Tc Superconductors, Ed. A. Narlikar, Vol. 41, pp. 171-198 (Nova Science Publisher, New York, 2002)
/DLM02/ D. Lipp, S.-L. Drechsler, M. Schneider, A. Gladun, J. Freudenberger, G. Fuchs, K.
Nenkov, K.-H. Müller, Specific heat and disorder in the mixed state of non-magnetic borocarbides and a comparison with exotic superconductors, in: "New trends in Superconductivity",
editiert v. J.F. Annett, S. Kruchinin, (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht) pp. 245-254 (2002).
/MGD02/ K.-H. Mueller, G. Fuchs, S.-L. Drechsler, V.N. Narozhnyi, Magnetic and superconducting properties of rare earth borocarbides of the type RNi2B2C, in: Handbook of Magnetic
Materials, K.H.J. Buschow (ed.), Chapter 3, Elsevier Science, 14, pp. 199-305 (2002)
II. Eingereichte Veröffentlichungen
/BNY 05/ D.L. Bashlakov, Yu.G. Naidyuk, I.K. Yanson, S.C. Wimbush, B. Holzapfel, G. Fuchs,
S.-L. Drechsler, Distribution of superconducting gaps in epitaxial YNi2B2C films studied by point
contacts, Superconducting Science and Technology, to be published
/NKY 05/ Yu.G. Naidyuk, O.E. Kvitnitskaya, I.K. Yanson, G. Fuchs, K. Nenkov, G. Behr, D.
Souptel, S.-L. Drechsler, Point-contact spectroscopy of antiferromagnetic superconductors
HoNi2B2C, to be published
/WFD 05/ A. Wälte, G. Fuchs, S.-L- Drechsler, H. Rosner, Yu.G. Naidyuk, K. Nenkov, D.
Souptel, A. Kreyssig, J. Freudenberger, K.-H. Müller, G. Behr, L. Schultz, Multi-band superconductivity in HoNi2B2C, to be published