Onderwerp 1: Supergeleidende Nanostructuren

De Type-II supergeleiders hebben als karakteristieke eigenschap dat het magneetveld gedeeltelijk in het supergeleidende materiaal kan binnendringen, maar dit enkel onder de vorm van gekwantiseerde magnetische-fluxlijnen of vortices. Deze vortices zijn de eenheid van magnetische flux, zoals het electron de eenheid is van elektrische stroom. De grootte van zo één vortex is in typische omstandigheden van de orde van 0.1 à 1 micrometer. Omdat ze mekaar afstoten, schikken de vortices in een supergeleider met macroscopische afmetingen zich in een driehoekig rooster, ook vortexrooster genoemd. Het gedrag van dit vortexrooster (hoe en hoeveel het bijv. beweegt) bepaalt in grote mate de eigenschappen van de supergeleider.
Supergeleidende nanostructuren hebben afmetingen van minder dan 0.1 tot ongeveer 2 micrometer (ook de lengteschaal die in micro-electronica gebruikt wordt). Er zal in deze structuren dus maar genoeg ruimte zijn om plaats te bieden aan enkele vortices. Hierdoor vinden we voor deze kleine structuren zeer verrassende supergeleidende eigenschappen, die we niet terugvinden bij de macroscopisch grote supergeleiders.
Een beter begrip van het gedrag van de vortices in supergeleidende nanostructuren kan bijdragen tot de verdere uitbouw van het gebruik van supergeleiders in micro-electronica.
In het onderzoekswerk voor je licentiaatsthesis zullen we bestuderen hoe de vortices zich gedragen in supergeleidende nanostructuren met verschillende vormen, en hoe de supergeleidende eigenschappen hierdoor beïnvloed worden.
De supergeleidende nanostructuren worden vervaardigd in een ultra-hoog-vacuümkamer door middel van elektronenbundelverdamping. De supergeleiders die hiervoor het meest gebruikt worden in ons laboratorium zijn lood (Pb) en niobium (Nb).
Dankzij elektronenbundelàlithografie (i.s.m. IMEC) en lift-off-technieken kunnen we supergeleidende nanoàstructuren vervaardigen met afmetingen kleiner dan een micrometer, en met een vorm naar keuze (bijv. een vierkant of een schijf). We onderzoeken de vorm van de nanostructuur telkens met de optische microscoop en met de nog veel gevoeligere atomaire-krachtàmicroscoop (AFM).
Wanneer we de elektrische weerstand van de nanostructuur willen meten, leggen we er zeer dunne contactpaden naartoe. In een cryostaat, een zeer grote thermosfles waarin we vloeibaar Helium gieten, kunnen we de supergeleider koelen tot beneden zijn kritische temperatuur en de supergeleidende eigenschappen opmeten.
De magnetische eigenschappen van de nanostructuur vertellen ons zeer veel over het gedrag van de vortices. Aangezien het magnetisch signaal dat uitgezonden wordt door deze structuren zo klein is, moeten we de supergeleider op een minuscuul Hall-kruisje (een uiterst gevoelige magneetveldsensor) plaatsen om zijn magnetische respons te kunnen opmeten.
Een alternatief om de magnetische eigenschappen van individuele supergeleidende nanostructuren te bestuderen, is om een rooster te maken waarin miljoenen identieke supergeleidende nanostructuren naast elkaar geplaatst worden. Het gezamenlijk signaal van al de structuren is nu groot genoeg om opgemeten te worden in een meer gebruikelijke magnetometer.