Electronic transport in the heavy fermion superconductors UPd 2 Al 3 and UNi 2 Al 3

This work addresses the electronical properties of the superconductors UPd2Al3 and UNi2Al3 on the basis of thin film experiments. These isotructural compounds are ideal candiates to study the interplay of magnetism and superconductivity due to the differences of their magnetically ordered states, as well as the experimental evidence for a magnetic pairing mechanism in UPd2Al3. Epitaxial thin film samples of UPd2Al3 and UNi2Al3 were prepared using UHV Molecular Beam Epitaxy (MBE). For UPd2Al3, the change of the growth direction from the intrinsic (001) to epitaxial (100) was predicted and sucessfully demonstrated using LaAlO3 substrates cut in (110) direction. With optimized deposition process parameters for UPd2Al3 (100) on LaAlO3 (110) superconducting samples with critical temperatures up to Tc = 1.75K were obtained. UPd2Al3-AlOx-Ag mesa junctions with superconducting base electrode were prepared and shown to be in the tunneling regime. However, no signatures of a superconducting density of states were observed in the tunneling spectra. The resistive superconducting transition was probed for a possible dependence on the current direction. In contrast to UNi2Al3, the existence of such feature was excluded in UPd2Al3 (100) thin films. The second focus of this work is the dependence of the resisitive transition in UNi2Al3 (100) thin films on the current direction. The experimental fact that the resisitive transition occurs at slightly higher temperatures for I║a than for I║c can be explained within a model of two weakly coupled superconducting bands. Evidence is presented for the key assumption of the two-band model, namely that transport in and out of the ab-plane is generated on different, weakly coupled parts of the Fermi surface. Main indications are the angle dependence of the superconducting transition and the dependence of the upper critical field Bc2 on current and field orientation. Additionally, several possible alternative explanations for the directional splitting of the transition are excluded in this work. An origin due to scattering on crystal defects or impurities is ruled out, likewise a relation to ohmic heating or vortex dynamics. The shift of the transition temperature as function of the current density was found to behave as predicted by the Ginzburg-Landau theory for critical current depairing, which plays a significant role in the two-band model. In conclusion, the directional splitting of the resisitive transition has to be regarded an intrinsic and unique property of UNi2Al3 up to now. Therefore, UNi2Al3 is proposed as a role model for weakly coupled multiband superconductivity. Magnetoresistance in the normalconducting state was measured for UPd2Al3 and UNi2Al3. For UNi2Al3, a negative contribution was observed close to the antiferromagnetic ordering temperature TN only for I║a, which can be associated to reduced spin-disorder scattering. In agreement with previous results it is concluded that the magnetic moments have to be attributed to the same part of the Fermi surface which generates transport in the ab-plane.

Die Arbeit beschäftigt sich mit den elektronischen Transporteigenschaften der Supraleiter UPd2Al3 und UNi2Al3 auf der Basis von Dünnschichtexperimenten. Wegen der Unterschiede im magnetischen geordneten Zustand, aber auch wegen der experimentellen Hinweise für einen magnetischen Paarungsmechanismus in UPd2Al3 eigen sich diese isostrukturellen Verbindungen hervorragend um das Zusammenspiel von Magnetismus und Supraleitung zu untersuchen. Es wurden epitaktische dünne Schichten von UPd2Al3 und UNi2Al3 mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) im Ultrahochvakuum (UHV) hergestellt. Für UPd2Al3 wurde ein Wechsel der Wachstumsrichtung von der intrinsischen (001) zur epitaktischen (100) Orientierung für LaAlO3 (110) Substrate vorhergesagt und erfolgreich demonstriert. Mit optimierten Depositionsparametern für UPd2Al3 (100) auf LaAlO3 (110) wurden supraleitende Proben mit kritischen Temperaturen bis zu Tc = 1.75K präpariert. UPd2Al3-AlOx-Ag mesa Kontakte mit supraleitender Grundelektrode wurden hergestellt und zeigten charakteristisches Tunnelverhalten. In den gemessenen Tunnelspektren konnten allerdings keine Merkmale einer supraleitenden Zustandsdichte nachgewiesen werden. Außerdem wurde der resistive supraleitende Phasenübergang auf eine mögliche Abhängigkeit von der Stromrichtung überprüft. Im Gegensatz zu UNi2Al3 kann eine solche Abhängigkeit für UPd2Al3 (100) Dünnschichtproben ausgeschlossen werden. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Abhängigkeit des resistiven supraleitenden Phasenübergangs in dünnen UNi2Al3 (100) Schichten von der Stromrichtung. Der experimentelle Befund, dass der resisitive Phasenübergang für I║a bei etwas höheren Temperaturen auftritt als für I║c, kann anhand eines Modells mit zwei schwach gekoppelten supraleitenden Bändern erklärt werden. Es wird nachgewiesen, dass die Grundannahme des Zwei-Band Modells korrekt ist, nämlich der Stromtransport innerhalb und außerhalb der ab-Ebene auf unterschiedlichen, nur schwach gekoppelten Teilen der Fermifläche generiert wird. Hauptbelege dafür sind die Winkelabhängigkeit des supraleitenden Phasenübergangs und die Abhängigkeit des oberen kritischen Felds Bc2 von der Strom-und Magnetfeldrichtung. Zusätzlich werden verschiedene alternative Erklärungsansätze für die Richtungsab-hängigkeit des Übergangs widerlegt. Als Ursache können Streuereignissen an Kristallfehlern genauso ausgeschlossen werden, wie resistive Aufheizeffekte oder spezielle Vortexdynamik. Die Verschiebung der Phasenübergangstemperatur als Funktion des Stromes folgt den Vorhersagen der Ginzburg-Landau Theorie für Paarbrechung durch überkritische Stromdichten, welche einen wesentlicher Bestandteil des Zwei-Band Modells darstellt. Insgesamt deutet alles darauf hin, dass die Richtungsabhängigkeit des resistiven Phasenübergangs als intrinsische Eigenschaft von UNi2Al3 und als bisher einzigartig aufgefasst werden muss. Daher wird UNi2Al3 als Modellverbindung für schwach gekoppelte Mehrbandsupraleitung vorgeschlagen. Der Magnetowiderstand in der normalleitenden Phase wurde für UPd2Al3 und UNi2Al3 gemessen. In UNi2Al3 wurde ein negativer Anteil nahe der antiferromagnetischen Ordnungstemperatur TN nur für I║a gefunden, der mit der Reduktion von Streuung an ungeordneten magnetischen Momenten zusammenhängen kann. In Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen werden daher die magnetischen Momente dem Teil der Fermifläche zugeschrieben, der auch für den Transport in der ab-Ebene verantwortlich ist.