Kurzfassung
Mit Hilfe der parallel zu den CuO2-Ebenen gemessenen dynamischen
Leitfähigkeit \sigma(\omega) von Einkristallen und epitaktischen
Filmen wird die Entstehung stabiler Supraleitung im stark anisotropen
Hochtemperatursupraleiter Bi2Sr2CaCu2O8 untersucht.
Anhand der Temperaturabhängigkeit der zwischen 3 mHz und 30 MHz
gemessenen Phase \sigma''/\sigma' kann die supraleitende
Übergangstemperatur Tc genau bestimmt werden.
Die statische Leitfähigkeit und die Frequenzabhängigkeit der
dynamischen Skalenfunktion für \sigma(\omega) deuten auf zweidimensionale
Fluktuationen in einem breiten Temperaturbereich oberhalb von Tc hin.
Bei Tc wird ein Sprung der inversen Eindringtiefe gefunden, der gut
mit dem von der Kosterlitz-Thouless-Theorie für dünne Schichten,
d.h. 2D-Supraleitung, vorhergesagten Wert
übereinstimmt. Danach kann vermutet werden, daß die
Supraleitung durch die Bindung thermisch induzierter langer
Vortex-Antivortex-Linienpaare,
die die Proben über ihre gesamte Dicke zwischen 200 nm und
200 m durchziehen, entsteht. Der vom
idealen zweidimensionalen Verhalten abweichende endliche Wert der Phase
bei Tc, \sigma''/\sigma'=13.5(2)
wird schwachen 3D-Fluktuationen in der geschichteten Struktur des
Bi2Sr2CaCu2O8 zugeschrieben.
Kolumnare Defekte ändern diesen zweidimensionalen Ordnungsvorgang
nicht, jedoch reduzieren sie die Phase bei Tc auf
\sigma''/\sigma'=3.9(2) . Da dieser Wert mit dem für das
dreidimensional ordnende YBa2Cu2O7 übereinstimmt, deutet
dieses auf eine Verstärkung dreidimensionaler Fluktuationen
auf kleinen Längenskalen hin.
Geringe Vortexdichten, die durch parallel zur c-Achse angelegte Felder
erzeugt werden (B>= 1 mT), verhindern eine
supraleitende Ordnung. Es wird eine thermisch
aktivierte Vortex-Dynamik beobachtet, die durch plastische
Versetzungen in einer hochviskosen Vortex-Flüssigkeit charakterisiert
ist, deren Linien bei sehr großen Feldstärken (B>2 T) in
Punktvortizes zerfallen. Interessanterweise wird auch in der
Feldorientierung Bperpendicular c kein Phasenübergang
gefunden, d.h. das intrinsische Haften durch die CuO2-Ebenen
kann die Supraleitung im Feld nicht stabilisieren, vermutlich aufgrund
der gleichen lokalen Fluktuationen, die im Nullfeld zu dem endlichen
Phasenwinkel führen.
Durch kolumnare Haftzentren der Dichte n\phi parallel zur c-Achse wird
unterhalb des dosisäquivalenten Feldes B\phi=n\phi \phi0
supraleitende Ordnung für Felder parallel zur c-Achse
ermöglicht. Im Gegensatz zum Grenzfall H-> 0 verschwindet die
superfluide Dichte hier jedoch kontinuierlich bei Tg, und die kritischen
Temperaturabhängigkeiten der Leitfähigkeit und der Relaxationszeit
weisen auf einen dreidimensionalen Ordnungsvorgang hin.
Solange die Dichte der kolumnaren Defekte klein ist, B\phi < Bc1, sind
die Ordnungsparameter-Fluktuationen isotrop, und der Temperaturverlauf
der Phasengrenze Bg(T) kann mit Hilfe des 3D-XY-Modells beschrieben werden.
Bei einer hohen Defektdichte B\phi >> Bc1 folgt die Phasengrenze
zwischen Bc1 und B\phi
überraschenderweise einer Vorhersage des
Bose-Glas-Modells für den Fall wechselwirkungsfreier Vortizes.
Dieses wird auf die starke Lokalisierung der Vortizes an den Defekten
zurückgeführt.
Auch für Bperpendicular c wird in Gegenwart der kolumnaren Defekte
überraschenderweise supraleitende Ordnung
beobachtet, was auf eine Reduktion der lokalen Fluktuationen in den
CuO2-Ebenen hinweist, deren Ursprung noch unbekannt ist.
By measuring the dynamic conductivity parallel to the CuO2-planes of single crystals and epitaxial films, the onset of superconductivity in the highly anisotropic high-temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8 is investigated. The temperature variation of the phase \sigma''/\sigma', measured between 3 mHz and 30 MHz, allows a precise determination of the superconducting transition Tc. The static conductivity and the frequency-dependence of the dynamical scaling function for \sigma(\omega) provide strong evidence for 2D fluctuations occuring in a broad temperature range above Tc. At Tc a jump of the inverse penetration depth is found, which agrees with the prediction of the Kosterlitz-Thouless-theory for thin films, i.e. 2D-superconductivity. This leads to the assumption that the superconductivity is nucleated by the binding of thermally induced long vortex-antivortex strings piercing the samples. The finite value of the phase at Tc, \sigma''/\sigma'=13.5(2) differs from ideal 2D behavior and is tentatively associated with weak 3D-fluctuations in the layered structure of Bi2Sr2CaCu2O8. Columnar Defects, however, do not affect the 2D-ordering, but they reduce the phase at Tc to \sigma''/\sigma'=3.9(2). Since this value is identical to that found for YBa2Cu3O7, which exhibits 3D-ordering, it is taken as evidence for 3D fluctuations on short lengthscales. External fields as low as 1 mT applied parallel to the c-axis destroy the superconducting transition. A thermal activated vortex-dynamics characterized by plastic displacements in a highly viscous vortex-liquid is observed. At higher fields (B>2 T) the vortex-lines dissociate in point-vortices. Interestingly, no phase-transition is found for Bperpendicular c, which indicates that the intrinsic pinning of the CuO2-planes can not stabilize the superconducting transition in a magnetic field. It is argued that this effect is caused by those fluctuations, which give rise to the finite phase-angle at H=0. Correlated pinning by columnar defects of density n\phi introduced by heavy-ion irradiation parallel to the c-axis, produces stable superconductivity for fields B parallel c. Unlike the H-> 0 limit the superfluid density disappears continuously at Tg, and the critical singularities of the conductivity and relaxation time at Tg indicate 3D-ordering. As long as the density of the columnar defects is small, B\phi <Bc1, the order-parameter fluctuations are isotropic and the temperature dependence of the phase-boundary Bg(T) can be explained in terms of the 3D-XY model. At higher densities of defects, B\phi >> Bc1, the phase-boundary follows a prediction of the Bose-glass model for non-interacting vortices for fields between Bc1 and B\phi. This is attributed to the strong localization of the vortices at the defects. Surprisingly, superconducting ordering is also observed for Bperpendicular c in the presence of the columnar defects, which signalizes a reduction of the local fluctuations in the CuO2-planes, the origin of which is not known.