Étude DFT+U des phases structurales du La2CuO4

Ce mémoire traite des propriétés du La2CuO4 dopé en trous, le premier supraconducteur à haute température critique ayant été découvert. Les différentes phases électroniques du cristal y seront présentées, ainsi que le diagramme de phases en dopage de ce matériau. Les trois structures dans lesquelles on peut retrouver ce cristal seront décrites en détail, et leurs liens présumés avec les phases électroniques seront présentés. Il s’en suivra une étude utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité combinée au modèle de Hubbard (DFT+U) des différentes phases structurales, en plus des phases antiferromagnétiques et paramagnétiques. L’effet de la corrélation électronique sur la structure cristalline sera également étudié par l’intermédiaire du paramètre de Hubbard. Le but sera de vérifier si la DFT+U reproduit bien le diagramme de phases expérimentales, et sous quelles conditions. Une étude des effets de l’inclinaison des octaèdres d’oxygène sur la structure électronique sera également présentée.

Studies on Fluxon Dynamics in Coupled Josephson Junctions

The thesis deals with detailed theoretical analysis of fluxon dynamics in single and in coupled Josephson junctions of different geometries under various internal and external conditions. The main objective of the present work is to investigate the properties of narrow Long Josephson junctions (LJJs) and to discuss the intriguing physics. In this thesis, Josephson junctions of three types of geometries, viz, rectangular, semiannular and quarter annular geometries in single and coupled format are studied to implement various fluxon based devices. Studies presented in this thesis reveal that mulistacked junctions are extremely useful in the fabrication of various super conducting electronic devices. The stability of the dynamical mode and therefore the operational stability of the proposed devices depend on parameters such as coupling strength, external magnetic fields, damping parameters etc. Stacked junctions offer a promising way to construct high-TC superconducting electronic components. Exploring the complex dynamics of fluxons in coupled junctions is a challenging and important task for the future experimental and theoretical investigations

Measurements of Electromagnetic Shielding Effect Using Htsc Materials

A simple experimental set-up is described to measure the electromagnetic shielding property of high Tc superconducting samples. Measurements were performed using HTSC materials in the form of laser ablated thin films, powders and sintered pellets. Samples used were Gd-123 in pure and doped form as well as a few Bi-based superconducting ceramics. For comparison, similar measurements were carried out on metals like aluminium, copper and μ metal. Very effective shielding was observed for HTSC materials compared to the conventional materials mentioned above. However it also depended on the sample types and poor shielding was observed for powdered HTSC material in comparison to thin films prepared by laser ablation.

Local character of magnetic coupling in ionic solids

Magnetic interactions in ionic solids are studied using parameter-free methods designed to provide accurate energy differences associated with quantum states defining the Heisenberg constant J. For a series of ionic solids including KNiF3, K2NiF4, KCuF3, K2CuF4, and high- Tc parent compound La2CuO4, the J experimental value is quantitatively reproduced. This result has fundamental implications because J values have been calculated from a finite cluster model whereas experiments refer to infinite solids. The present study permits us to firmly establish that in these wide-gap insulators, J is determined from strongly local electronic interactions involving two magnetic centers only thus providing an ab initio support to commonly used model Hamiltonians.

Evaluation of Electrical Properties of Lap Joints for BSCCO and YBCO Tapes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

BCS superconductivity in the van Hove scenario in s and d waves

The effect of including a van Hove singularity in the density of state of a renormalized BCS equation in s and d waves and its appropriateness in describing some properties of high-Tc cuprates in the weak-coupling region are studied in two space dimensions. The specific heat and knight shift as a function of temperature exhibit scaling below the critical temperature in d wave. We also study the jump in the specific heat at the critical temperature Tc in s and d waves, which can have values significantly higher than the standard BCS values and which increases with Tc, as experimentally observed in many d-wave high-Tc materials. The experimental results on the specific heat and knight shift of the Y-123 system are compared with the theoretical predictions.

Interstitial oxygen mobility in superconducting samples of Bi2Sr2CaCu2O8+y

Since high-temperature superconductors were discovered, several studies have been made on their physical properties, attempting to associate them to the origin of superconductivity. Obviously, the oxygen atoms interstitially dissolved in the matrix have an important role in superconductivity, since they move easily in the lattice. In addition, they contribute to hole creation in the CuO2 planes. Anelastic spectroscopy ( internal friction) measurements are sensitive tools for the study of defects in solids, in particular for oxygen mobility. In this paper, Bi2Sr2CaCu2O8+y samples with several different amounts of interstitial oxygen were analysed by means of anelastic spectroscopy measurements. The measurements were performed by using a torsion pendulum operating at a frequency of about 40 Hz. Complex relaxation structures were observed and attributed to the shift of the oxygen interstitial atoms in BiO chains.

Superconducting vortex fluctuations in YBa2Cu3O7-δ

Measurements of magnetization in YBa2Cu3O7-δ single crystals were performed for applied fields H parallel and perpendicular to the ab planes. The data show a temperature T = T* at which the magnetization M(T*) is independent of the applied field. This result is interpreted as due to vortex fluctuations of an anisotropic 3-D superconductor.

Universal scaling in BCS superconductivity in three dimensions in non-s waves

The solutions of a renormalized BCS equation are studied in three space dimensions in s, p and d waves for finite-range separable potentials in the weak to medium coupling region. In the weak-coupling limit, the present BCS model yields a small coherence length ξ and a large critical temperature, T c, appropriate for some high-T c materials. The BCS gap, T c, ξ and specific heat C s(T c) as a function of zero-temperature condensation energy are found to exhibit potential-independent universal scalings. The entropy, specific heat, spin susceptibility and penetration depth as a function of temperature exhibit universal scaling below T c in p and d waves.

Test results of fault current limiter using YBCO tapes with shunt protection

A Fault Current Limiter (FCL) based on high temperature superconducting elements with four tapes in parallel were designed and tested in 220 V line for a fault current peak between 1 kA to 4 kA. The elements employed second generation (2G) HTS tapes of YBCO coated conductor with stainless steel reinforcement. The tapes were electrically connected in parallel with effective length of 0.4 m per element (16 elements connected in series) constituting a single-phase unit. The FCL performance was evaluated through over-current tests and its recovery characteristics under load current were analyzed using optimized value of the shunt protection. The projected limiting ratio achieved a factor higher than 4 during fault of 5 cycles without degradation. Construction details and further test results will be shown in the paper. © 2010 IOP Publishing Ltd.

Properties of individual YBCO layers in a two-layered design for energy-efficient digital data cables

We are developing two-layered Yttrium Barium Copper Oxide (YBCO) thin film structures for energy efficient data links for superconducting electronics and present the results of their property measurements. High temperature superconductors (HTS) are advantageous for the implementation of energy-efficient cables interconnecting low temperature superconductor-based circuits and other cryogenic electronics circuits at higher temperature stages. The advantages of the HTS cables come from their low loss and low dispersion properties, allowing ballistic transfer of low power signals with very high bandwidth, low heat conduction and negligible inter-line crosstalk. The microstrip line cable geometry for typical materials is a two-layered film, in which the two superconducting layers are separated by an insulation layer with a minimized permittivity. We have made a proof of concept design of two YBCO films grown by pulsed laser deposition and then assembled into a sandwich with uniform insulating interlayer of tens of micrometers thick. We report on results obtained from such systems assembled in different ways. Structural and electromagnetic properties have been examined on individual films and on the corresponding sandwich composite. © 2013 IEEE.

Electrical and Superconducting Properties in Lap Joints for YBCO Tapes

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Flux-Line-Lattice Melting and Upper Critical Field of Bi1.65Pb0.35Sr2Ca2Cu3O10+delta Ceramic Samples

We have conducted magnetoresistance measurements rho(T,H) in applied magnetic fields up to 18 T in Bi1.65Pb0.35Sr2Ca2Cu3O10+delta ceramic samples which were subjected to different uniaxial compacting pressures. The anisotropic upper critical fields H (c2)(T) were extracted from the rho(T,H) data, yielding and the out-of-plane superconducting coherence length xi (c) (0)similar to 3 . We have also estimated and xi (ab) (0) similar to 90 . In addition to this, a flux-line-lattice (FLL) melting temperature T (m) has been identified as a second peak in the derivative of the magnetoresistance d rho/dT data close to the superconducting transition temperature. An H (m) vs. T phase diagram was constructed and the FLL boundary lines were found to obey a temperature dependence H (m) ae(T (c) /T-1) (alpha) , where alpha similar to 2 for the sample subjected to the higher compacting pressure. A reasonable value of the Lindemann parameter c (L) similar to 0.29 has been found for all samples studied.

Magnetic tunneling junctions with the Heusler compound Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al

Materialen mit sehr hoher Spinpolarisation werden für Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik benötigt. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen zur Untersuchung der Eigenschaften von Verbindungen mit potentiell halbmetallischem Charakter, d. h.mit 100% Spinpolarisation, unternommen. In halbmetallischen Verbindungen, erwartet man eine Lücke in der Zustandsdichte an der Fermi Energie für Ladungsträger einer Spinrichtung, wahrend die Ladungsträger mit der anderen Spinrichtung sich metallisch verhalten. Eine Konsequenz davon ist, dass ein Strom, der durch solche Verbindung fließt, voll spinpolarisiert ist. Die hohe Curie-Temperatur Tc (800 K) und der theoretisch vorhergesagte halbmetallische Charakter machen Co2Cr0.6Fe0.4Al (CCFA) zu einem guten Kandidaten für Spintronik-Anwendungen wie magnetische Tunnelkontakte (MTJs = Magnetic Tunneling Junctions). In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von dünnen CCFA Schichten dargestellt. Diese Schichten wurden in MTJs integriert und der Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt untersucht. Hauptziele waren die Messung der Spinpolarisation und Untersuchungen der elektronischen Struktur von CCFA. Der Einfluss verschiedener Depositionsparameter auf die Eigenschaften der Schichten, speziell auf der Oberflächenordnung und damit letztlich auf den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), wurde bestimmt. Epitaktische d¨unne CCFA Schichten mit zwei verschiedenen Wachstumsrichtungen wurden auf verschiedene Substrate und Pufferschichten deponiert. Ein Temperverfahren wurde eingesetzt um die strukturelle Eigenschaften der dünnen Schichten zu verbessern. Für die MTJs wurde Al2O3 als Barrierenmaterial verwendet und Co als Gegenelektrode gewählt. Die Mehrschicht-Systeme wurden in Mesa-Geometrie mit lithographischen Methoden strukturiert. Eine maximal Jullière Spinpolarisation von 54% wurde an Tunnelkontakte mit epitaktischen CCFA Schichten gemessen. Ein starker Einfluss der Tempernbedingungen auf dem TMR wurde festgestellt. Eine Erhörung des TMR wurde mit einer Verbesserung der Oberflächenordung der CCFA Schichten korreliert. Spektroskopische Messungen wurden an den MTJs durchgeführt. Diesen Messungen liefern Hinweise auf inelastische Elektron-Magnon und Elektron-Phonon Stossprozesse an den Grenzflächen. Einige der beobachteten Strukturen konnten mit der berechneten elektronischen Struktur von CCFA korreliert worden.

57 Fe and 119 Sn Mössbauer studies on new Heusler compounds for spintronic applications

Seit der Entwicklung einer großen Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten der Spintronik auf Basis von Heusler Verbindungen innerhalb der letzten Dekade kann der Forschungsfortschritt an dieser Material Klasse in einer Vielzahl von Publikationen verfolgt werden. Eine typische Heusler Verbindung X2YZ besteht aus zwei Übergangsmetallen (X, Y) und einem Hauptgruppenelement (Z). Diese Arbeit berichtet von Heusler Verbindungen mit besonderem Augenmerk auf deren potentielle halbmetallische Eigenschaften und davon insbesondere solche, die eine richtungsabhängige magnetische Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy- PMA) zeigen könnten. PMA ist insbesondere für Spin transfer Torque (STT) Bauelemente von großem Interesse und tritt in tetragonalrnverzerrten Heusler Verbindungen auf. Bei STT-Elementen werden mittels spinpolarisierter Ströme die magnetische Orientierung von magnetischen Schichten beeinflusst.rnDie signifikantesten Ergebnisse dieser Arbeit sind: die Synthese neuer kubischen Heusler Phasen Fe2YZ, die theoretisch als tetragonal vorausgesagt wurden (Kapitel 1), die Synthese von Mn2FeGa, das in der tetragonal verzerrten Struktur kristallisiert und Potential für STT Anwendungen zeigt (Kapitel 2); die Synthese von Fe2MnGa, das einen magnetischen Phasenübergang mit exchange-bias (EB) Effekt zeigt, der auf einer Koexistenz von ferromagnetischen (FM) und antiferromagnetischen (AFM) Phasen beruht (Kapitel 3); Schlussendlich wird in Kapitel 4 die Synthese von Mn3−xRhxSn diskutiert, in welcher insbesondere tetragonales Mn2RhSn als potentielles Material für Anwendungen in derrnSpintronik vorgestellt wird.rnIn dieser Arbeit wurden hauptsächlich Heusler Verbindungen mit mößbaueraktiven Elementen 57Fe und 119Sn, synthetisiert und untersucht. Im Falle der hier untersuchten Heusler Verbindungen spielt die Charakterisierung durch Mößbauer Spektroskopie eine entscheidende Rolle, da Heusler Verbindungen meistens ein gewisses Maß an Fehlordnung aufweisen, welche deren magnetischen und strukturellen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Art der Fehlordnung jedoch kann nur schwer durch standard Pulver-Röntgendiffraktion bestimmt werden, weshalb wir die Vorteile der Mößbauer Spektroskopie als lokale Methode nutzen, um den Typ und den Grad der Fehlordnung aufzuklären. rnDiese Arbeit ist wie folgt gegliedert:rnIn Kapitel 1 wurden die neuen, kubisch-weichferromagnetischen Heuslerphasen Fe2NiGe, Fe2CuGa und Fe2CuAl synthetisiert und charakterisiert. In vorangegangenen theoretischen Studien wurde für deren Existenz in tetragonaler Heuslerstruktur vorhergesagt.rnUngeachtet dessen belegten unsere experimentellen Untersuchungen, dass diese Verbindungen hauptsächlich in der kubischen invers Heusler(X-) struktur mit unterschiedlichen Anteilen an atomarer Fehlordnung kristallisieren. Alle Verbindungen sind weiche Ferromagneten mit hoher Curietemperatur bis zu 900K, weswegen alle als potentielle Materialien für magnetische Anwendungen geeignet sind. In Kapitel 2 wurde Mn2FeGa synthetisiert. Es zeigte sich, dass Mn2FeGa nach Temperatur Nachbehandlung bei 400°C die invers tetragonale Struktur (I4m2) annimmt. Theoretisch wurde die Existenz in der inversen kubischen Heuslerstruktur vorausgesagt. Abhängig von den Synthesebedingungen ändern sich die magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Mn2FeGa eklatant. Deshalb ändert sich die Kristallstruktur von M2FeGa bei Temperung bei 800 °C zu einer pseudokubischen Cu3Au-artigen Struktur, in welcher Fe- und Mn-Atome statistisch verteilt vorliegen. Dieser Übergang der Kristallstrukturen wurde durch Mößbauer Spektroskopie anhand des Vorliegens oder Fehlens der Quadrupolaufspaltung im Falle der invers tetragonalen bzw. pseudokubischen Modifikation nachgewiesen. In Kapitel 3 wurde Fe2MnGa ebenfalls erfolgreich synthetisiert und durch verschiedene Methoden charakterisiert. Der Zusammenhang von Kristallstruktur und magnetischen Eigenschaften wurde durch verschiedene Temperungskonditionen und mechanischer Behandlung untersucht. Der Schwerpunkt lag auf einer geschmolzenen Probe ohne weitere Temperung, die einen FM-AFM Phasenübergang zeigte. Diese magnetische Phasenumwandlung führt zu einem starken EB-Verhalten, welches seinen Ursprung hauptsächlich in der Koexistenz von FM- und AFM-Phasen unterhalb der FMAFM- Übergangstemperatur hat. Kapitel 4 ist den neuen Mn-basierten Heusler-Verbindungen Mn3−xRhxSn gewidmet, bei denen wir versuchten, durch den Austausch von Mn durch das größere Rh eine Umwandlung zu einer tetragonalen Struktur von den hexagonalen Mn3Sn-Struktur zu erreichen. Als interessant stellten sich Mn2RhSn und Mn2.1Rh0.9Sn heraus, da sie aus nur einer Phase vorzuliegen scheinen, wohingegen die anderen Verbindungen aus gemischten Phasen mit gleichzeitiger starken Fehlordnung bestehen. Im abschließenden Anhang wurden die Fehlordnung und gelegentliche Mischphasen einer großen Auswahl von Mn3−xFexGa Materialien mit 1≤x≤3, dokumentiert.rn