Competing pair-breaking effects in thin superconducting films and bulk superconductivity

Abstract

Der Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) Zustand ist ein räumlich inhomogener supraleitender Zustand bei dem vermutet wird, daß er in reinen Supraleitern mit rein paramagnetischer Paarbrechung auftritt. Wir vergleichen Berechnungen des oberen kritischen Feldes mit experimentellen Ergebnissen des quasi-zwei-dimensionalen organischen Supraleiters kappa-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2, die vermuten lassen, daß der FFLO Zustand in diesem Material existiert. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und existierenden Theorien wurden erfolgreich sowohl in Bezug auf die Winkelabhängigkeit und das Temperaturverhalten des oberen kritischen Feldes untersucht.<br />Danach veralgemeinern wir das gängige Modell der rein paramagnetischen Paarbrechung für einen Supraleiter endlicher Dicke in einem Magnetfeld, der in beliebigem Winkel zur stromführenden Ebene steht. Damit wird der Einfluß der orbitalen Paarbrechung auf den FFLO Zustand berücksichtigt.<br />Wir formulieren das Modell im Rahmen der quasiklassischen Eilenberger Gleichungen und leiten thermodynamische Eigenschaften her. Diese neue Theorie wird mit Hilfe von experimentellen Ergebnissen an YBa2Cu3O7 und möglichen orbitalen paarbrechenden Einflüssen bei einem Magnetfeld in plan-paralleler Konfiguration diskutiert. Wir berücksichtigen auch den Einfluß von Verunreinigungen und vergleichen die Ergebnisse von Tunnelmessungen an einem dünnen Al Film mit den numerischen Berechnungen der oberen und unteren Stabilitätsgrenze eines Systems mit endlicher Dicke. Bei Temperaturen unterhalb der trikritischen Temperatur existieren zwei Phasengrenzen, deren Verhalten den experimentellen Ergebnissen näherkommen. Diese Arbeit wird mit Untersuchungen an den konventionellen s-Wellen Supraleiter RbOs2O6 und La3Ni2B2N3 abgeschlossen. Wir untersuchen das obere kritische Feld Hc2(T) des beta-Pyrochlor Supraleiters RbOs2O6 im Rahmen der s-Wellen Eliashberg Theorie unter Berücksichtigung von Anisotropie und Streuzentren. Der Vergleich zwischen dem Experiment und den theoretischen Berechnungen der thermodynamischen Eigenschaften Cs-Cn und Hc(T) bestätigt, daß RbOs2O6 ein konventioneller s-Wellen Supraleiter ist. Neue Messungen an La3Ni2B2N3 zeigen eine Reduktion der kritischen Temperatur mit steigenden Stickstoff-Fehlstellen im Gitter.<br />Diese Fehlstellen können als Streuzentren dienen, die die Ansiotropie der Elektron-Phonon Kopplung verschmieren. Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der Reduktion von Tc einerseits mit Hilfe von Streuung durch Verunreinigungen. Andererseits verwenden wir ein Einstein-Spektrum als Elektron-Phonon Kopplungsspektrum, mit dem wir die experimentelle kritische Temperatur durch Verschiebung des Mittelpunktes reproduzieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Effekt von Verunreinigungen zu schwach ist, um die Tc-Reduktion zu erklären. Die Verschiebung der Elektron-Phonon Kopplungsfrequenz liefert jedoch den ausschlaggebenden Beitrag zu diesem Phänomen.<br />

The Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) state is a spatially inhomogeneous superconducting state predicted to occur in clean superconductors with purely paramagnetic limiting. We calculated the upper critical field and compared the results with measurements in the quasi-two-dimensional organic superconductor kappa-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2, which strongly suggest that a state of the FFLO type exists in this material. Agreement between experiment and existing theories has been successfully checked both in view of the angle-dependence and the temperature dependence of the upper critical field.<br />We then generalized the usual model of purely paramagnetic pair breaking for a superconducting film of finite thickness in a magnetic field with an arbitrary angle to the conducting plane, taking into account the influence of a finite orbital pair breaking component on the FFLO state.<br />The model was formulated using the framework of the quasiclassical Eilenberger equations, and thermodynamic properties were derived. This new theory was discussed with the help of experimental results on YBa2Cu3O7 and possible orbital pair breaking contributions in the plane-parallel field configuration. We also included impurity scattering in our equations and compared the tunneling measurements on a thin Al film with the numerical results on the upper and lower stability limit of a system with finite thickness. At temperatures below a triciritical temperature, the behavior of the two boundary solutions for the critical field improved to meet the characteristics of the experimental data.<br />This work was concluded with investigations on conventional s-wave superconductors RbOs2O6 and La3Ni2B2N3. We analyzed the upper critical field Hc2(T) of the beta-pyrochlore superconductor RbOs2O6 within the framework of s-wave Eliashberg theory including anisotropy and scattering effects. Comparison between experiment and theory of thermodynamic properties such Cs-Cn, and Hc(T) confirms, that RbOs2O6 is a conventional s-wave superconductor. Measurements on La3Ni2B2N3 show a decrease in the critical temperature with increasing vacancy on the nitrogen site. The nitrogen vacancies may act as scattering centers, which smear out the electron-phonon coupling anisotropy. We investigated the vacancy related Tc-depression both with respect to impurity scattering and with a model Einstein spectrum, by shifting the center of the delta-peak to reproduce the experimental Tc-values. Our results show, that the effect of additional scattering centers on anisotropy is too weak to explain the decrease in Tc. However, a shift of the electron-phonon pairing frequency may give the important contribution to this phenomenon.<br />