Unconventional superconductivity of the heavy fermion compound UNi 2 Al 3

The heavy fermion compound UNi2Al3 exhibits the coexistence of superconductivity and magnetic order at low temperatures, stimulating speculations about possible exotic Cooper-pairing interaction in this superconductor. However, the preparation of good quality bulk single crystals of UNi2Al3 has proven to be a non-trivial task due to metallurgical problems, which result in the formation of an UAl2 impurity phase and hence a strongly reduced sample purity. The present work concentrates on the preparation, characterization and electronic properties investigation of UNi2Al3 single crystalline thin film samples. The preparation of thin films was accomplished in a molecular beam epitaxy (MBE) system. (100)-oriented epitaxial thin films of UNi2Al3 were grown on single crystalline YAlO3 substrates cut in (010)- or (112)-direction. The high crystallographic quality of the samples was proved by several characterisation methods, such as X-ray analysis, RHEED and TEM. To study the magnetic structure of epitaxial thin films resonant magnetic x-ray scattering was employed. The magnetic order of thin the film samples, the formation of magnetic domains with different moment directions, and the magnetic correlation length were discussed. The electronic properties of the UNi2Al3 thin films in the normal and superconducting states were investigated by means of transport measurements. A pronounced anisotropy of the temperature dependent resistivity ρ(T) was observed. Moreover, it was found that the temperature of the resistive superconducting transition depends on the current direction, providing evidence for multiband superconductivity in UNi2Al3. The initial slope of the upper critical field H′c2(T) of the thin film samples suggests an unconventional spin-singlet superconducting state, as opposed to bulk single crystal data. To probe the superconducting gap of UNi2Al3 directly by means of tunnelling spectroscopy many planar junctions of different design employing different techniques were prepared. Despite the tunneling regime of the junctions, no features of the superconducting density of state of UNi2Al3 were ever observed. It is assumed that the absence of UNi2Al3 gap features in the tunneling spectra was caused by imperfections of the tunnelling contacts. The superconductivity of UNi2Al3 was probably suppressed just in a degraded surface layer, resulting in tunneling into non superconducting UNi2Al3. However, alternative explanations such as intrinsic pair breaking effects at the interface to the barrier are also possible.

Die Schwere Fermioner Verbindung UNi2Al3 befindet sich bei tiefen Temperaturen sowohl in einem supraleitenden als auch in einem magnetisch geordneten Zustand. Diese Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus stimuliert Vermutungen über eine exotische Cooper-Paar Wechselwirkung in dieser Verbindung. Allerdings werden experimentelle Fortschritte durch einen Mangel an Einkristallen guter Qualität behindert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal supraleitende einkristalline Schichten der Verbindung UNi2Al3 präpariert und ihre supraleitenden und magnetischen Eigenschaften untersucht. (100)-orientierte epitaktische dünne UNi2Al3 Schichten wurden durch Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) auf YAlO3 (010) und YAlO3 (010) Substrate präpariert. Ihre hohe kristallographische Qualität wurde durch unterschiedliche Charakterisierungsmethoden wie Röntgenbeugung, RHEED und TEM nachgewiesen. Die magnetische Ordnung der Proben, die Bildung magnetischen Domänen mit unterschiedlichen Richtungen der magnetischen Momente und die magnetische Korrelationslänge wurde diskutiert. Die elektronischen Eigenschaften von UNi2Al3 im normal- und supraleitenden Zustand wurden mittels Transport-Messungen untersucht. Eine ausgeprägte Anisotropie des temperaturabhängigen spezifischen Widerstands ρ(T) wurde beobachtet. Außerdem, wurde festgestellt, dass die Temperatur der resistiven Übergänge von der Richtung des Messstroms abhängt. Diese Beobachtung ist ein Hinweis auf Multiband-Supraleitung in UNi2Al3. Im Gegensatz zu Volumen-Einkristallen zeigen die dünnen Schichten eine Anfangssteigung des oberen kritischen Feldes H′c2(T), die auf einen unkonventionellen supraleitenden Spin-Singulett Zustand hinweist. Zur direkten Untersuchung der supraleitenden Zustandsdichte mittels Tunnelspektroskopie wurde eine große Anzahl von planaren Kontakten mit UNi2Al3 Schichten präpariert. Trotz Hinweisen auf die Realisation eines Tunnelregimes in vielen Kontakten konnten keine eindeutigen Signaturen einer supraleitenden Zustanddichte von UNi2Al3 beobachtet werden. Es ist zu vermuten, dass die Supraleitung der UNi2Al3 Elektroden in einen Oberflächeschicht durch Degradation zerstört ist, was zu Tunnelprozessen in nicht supraleitenden UNi2Al3 führt. Alternative Erklärungen, wie zum Beispiel intrinsische Paarbrechung an der Grenzfläche zur Barriere, sind ebenfalls möglich.