batas fasa struktur mesoskopik superkonduktor

Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 15 No. 1 Mei 2014
BATAS FASA STRUKTUR MESOSKOPIK SUPERKONDUKTOR
HIBRID PB/AL
Elistia Liza Namigo 1*, Nele Schildermans2
1
Jurusan Fisika Universitas Andalas, Kampus UNAND Limau Manis Padang 25163
2
INPAC, KU Leuven, Celestijnenlaan 200D Leuven, Belgium, 3001
*)Email:[email protected]
Abstrak
Pengukuran dilakukan untuk menentukan batas fasa superkonduktor/normal pada struktur makroskopik dan struktur
mikroskopik superkonduktor hibrid Pb/Al. Struktur terdiri lapisan Al setebal 50 nm dan 50 nm lapisan Pb yang (dideposisi di
atas lapisan Al), diantara kedua lapisan dideposisikan Ge setebal 10 nm untuk memastikan bahwa Al dan Pb hanya terkopling
secara magnetik. Istilah „makroskopik‟ dan „mesoskopik‟ didefinisikan masing-masing untuk struktur dengan diameter 4 μm
dan 1,5 μm. Teknik deposisi yang digunakan adalah bi-layerlift-off e-beam lithography. Pengukuran dilakukan di dalam 3He
bath cryostat dengan range temperatur berkisar mulai dari di bawah 1K sampai di bawah nilai Tc dari Pb yaitu 7.19 K. Arus
sebesar 5μA diterapkan pada sampel pada saat melakukan pengukuran R(T) pada medan magnet konstan. Pengukuran
dilakukan untuk beberapa nilai medan magnet dengan step 0.1 mT. Sebagai acuan, dilakukan juga pengukuran untuk sampel
Al dengan radius 4 μm dan 1,5 μm dan ketebalan 50nm.. Batas fasa superkonduktor/normal dari struktur hibrid Pb/Al bergeser
ke arah Pb yang mengindikasikan bahwa medan pada Al didominasi oleh Pb dan menunda munculnya vortex. Nilai Tc untuk
sampel-sampel mesoskopik mengalami penurunan dibandingkan sampel-sampel makroskopik, hal ini mengindikasikan bahwa
nukleasi superkonduktivitas dalam bahan sangat dipengaruhi oleh ukuran permukaan batas sampel.
Abstract
Investigation of the phase boundary of superconducting Pb/Al hybrid macroscopic and mesoscopic structures is conducted
and reported. The structures consists of 50 nm thin Al circular disk with 50 nm Pb disk deposited on top of it and 10 nm Ge
deposited in between as insulation layer. Radius of the disk is 4 μm for macroscopic and 1,5 μm for mesoscopic structures.
Deposition process was carried out with bi-layer lift-off electronic beam lithography technique. The measurements are
performed in a 3He bath cryostat with temperature range from below 1 K to less than 7.19 K (T c of Pb). Current of 5μA is
applied to the sample and the R(T) measurement is performed for constant magnetic field H. Measurements are done for
several values of magnetic field with a step of 0.1 mT. Field cooled measurements on macroscopic Al disk with diameter 4
μm and 1,5 μm and 50 nm thickness were carried out for reference. Results indicates that Pb strongly screened the field of Al
for both macroscopic and mesoscopic samples with Little-Parks oscillation observed for mesoscopic disk. Tc values of
macroscopic and mesoscopic samples show that superconductivity nucleation is strongly dependant on samples‟ boundary
surface.
Keywords: Coherence Length, Phase-Boundary, Little-Parks Oscillations.
1. Pendahuluan
Potensi pemanfaatan bahan superkonduktor
untuk aplikasi mikro dan nano-elektronik telah
menstimulasi banyaknya penelitian dibidang ini
pada tiga dasawarsa terakhir. Karakteristik dari
bahan superkonduktor (temperatur kritis T c, medan
magnet kritis Hc, arus kritis Ic, energi permukaan,
kestabilan termal, dll) berubah secara dramatis
ketika satu atau lebih dimensi ukur dari bahan
tersebut lebih kecil dari panjang karakteristiknya
(coherence length  (0) dan London penetration
depth λL) sebagai contoh : film tipis (2D)[1],
nanowires (1D)[2] dan butir/granular (0D)[3].
Perubahan karakteristik ini terutama disebabkan
oleh terbatasnya gerak elektron pada bahan akibat
terbentuknya level-level energi diskret seiring
berkurangnya panjang dimensi dari bahan
(electronic confinement)[4]. Fenomena ini dikenal
dengan istilah superconducting size-effect [5].
Superconducting proximity effect juga
merupakan fenomena yang menarik pada
superkonduktor dengan dimensi pada orde panjang
karakteristiknya.
Teori
proximity-effect
ini
menyatakan
bahwa
jika
suatu
bahan
superkonduktor (S) berada dekat atau kontak
dengan bahan non-superkonduktor (N) , bahan
isolator (I) ataupun bahan superkonduktor lain
dengan Tc yang lebih rendah (S‟) maka akan terjadi
induksi superkonduktivitas pada bahan N/I/S‟
akibat penetrasi fungsi gelombang S ke dalam
bahan N/I/S‟ dan supresi Tc pada bahan S akibat
pecahnya Cooper-pair (pair-breaking effect of
Cooper pairs) [6,7]. Proximity-effect ini merupakan
14
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 15 No. 1 Mei 2014
dasar dari prinsip kerja Josephson tunnel junction
yang merupakan sistem S-I-S atau S-N-S[8].
Supresi Tc pada kurva H-T batas fasa (phase
boundary) superkonduktor yang berada dalam
pengaruh medan magnet luar juga disebabkan oleh
kuantisasi
fluxoid
(medan
magnet
yang
terperangkap di dalam superkonduktor terkuantisasi
dalam satuan
) yang pada gilirannya akan
menyebabkan osilasi periodik resistansi sebagai
fungsi medan magnet yang diterapkan. Osilasi
periodik dari resistansi/Tc ini disebut dengan osilasi
Little-Parks [9].
Efek kuantisasi fluxoid telah diamati secara
eksperimen untuk struktur mesoskopik Al dengan
berbagai macam bentuk seperti cincin, piringan dan
kawat. Batas fasa H-T berbeda-beda untuk sampel
dengan bentuk yang berbeda, Osilasi R hanya
teramati pada temperature sekitar Tc sangat
bergantung pada bentuk sampel karena permukaan
batas dari bentuk sampel menentukan „confinement
geometry‟ Periode supresi Tc mengecil seiring
pertambahan medan [10,11].
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan karakterisasi
struktur
makroskopik
dan
mesoskopik
superkonduktor hibrid S/S‟ - Pb/Al (yang
terkopling secara magnetik) untuk melihat
pengaruh Pb terhadap batas fasa Al sebagai basis
untuk memahami mekanisme superkonduktivitas
pada superkonduktor temperatur tinggi (High-Tc
Superconductor)
yang
dapat
diasumsikan
merupakan stack S-N , S-I, atau S-S‟. Istilah
„makroskopik‟ merujuk pada sampel berbentuk
piringan dengan jari-jari 4 μm dan „mesoskopik‟
untuk piringan dengan jari-jari 1,5 μm. Sebagai
bahan perbandingan dibuat sampel Al berbentuk
piringan dengan jari-jari 4 μm dan 1.5 μm dengan
ketebalan 50nm.
2.1 Persiapan sampel
Sample disiapkan melalui teknik liftoffbilayer maskselectronic beam lithography.
Substrat Si (single crystalline) dilapisi dengan
lapisan isolasi termal setebal 500 nm. Dua lapisan
PMMA (polymethyl metaclyrate) setebal 180 nm
dan 150 nm dideposisi di atas substrat dengan
teknik spin-coating. Lapisan PMMA tersebut
sebagai resist kemudian secara lokal dipapar
terhadap electron beam sesuai dengan pola yang
dikehendaki dan kemudian di- develop di dalam
campuran larutan isopropyl alcohol dan methyl
isobutyl ketone. Lapisan PMMA yang kedua larut
lebih cepat menghasilkan profil overhang. Film
tipis Al setebal 50 nm dideposisi di atas lapisan
resist. Lapisan resist dan Al kemudian diangkat
melalui teknik lift-off. Proses ini diulang untuk
mendeposisikan lapisan Pb setebal 50nm di atas Al
dengan terlebih dahulu menambahkan lapisan Ge di
antara kedua lapisan tersebut untuk memastikan Al
dan Pb hanya terkopling secara magnetik namun
terisolasi secara kelistrikan. Struktur akhir hasil
deposisi dapat dilihat pada Gambar 1 dan
spesifikasinya dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar 1. Struktur Al/Pb dengan empat kontak
(a)Mikrograf SEM (b)Skema lapisan
Tabel 1. Spesifikasi sampel
Al
Radius
Makro : 4 µm
Meso : 1.5 µm
Hibrid Pb/Al
Radius
Makro : 4 µm
Meso : 1.5 µm
Ketebalan :
50nm
Makro
ξ(0) = 178 nm
Tc = 1.29 K
Meso
ξ(0) = 153 nm
Tc = 1.02 K
Ketebalan :
Pb : 50nm
Ge : 10nm
Al : 50nm
Pb (Bulk)
ξ(0) = 83nm,
Tc =7.19K
2.2. Teknik pengukuran
Sebagai langkah awal dilakukan pengukuran
transport
elektron
(electron
transport
measurement) yang merupakan langkah standar
untuk melihat performa sistem secara umum dan
untuk menentukan parameter-parameter yang
relevan (seperti range medan magnet, ukuran yang
tepat, dll) untuk karakterisasi dan untuk optimisasi
lebih lanjut. Pengukuran dilakukan pada kriostat
3
He dengan range temperatur berkisar mulai dari di
bawah 1K sampai di bawah nilai T c dari Pb yaitu
7.19 K. Temperatur yang sangat rendah diperoleh
dengan mengurangi tekanan gas dalam kriostat
secara bertahap. Pengukuran transport dilakukan
untuk menentukan batas fasa dari sampel
superkonduktor hibrid Pb/Al. Arus sebesar 5  A
diterapkan pada sampel pada pengukuran resistansi
sebagai fungsi temperatur R(T) pada medan magnet
konstan. Kemudian dilakukan pengukuran R untuk
beberapa nilai medan magnet dengan step 0.1 mT.
3. Hasil dan Pembahasan
15
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 15 No. 1 Mei 2014
3.1 Sampel Makroskopis
Dari hasil pengukuran, diperoleh plot batas
fasa H-T untuk sampel makro hibrid Pb/Al yang
dibandingkan dengan sampel Al berdimensi sama
sebagai berikut (Gambar 2)
fluktuasi Tc akibat masuknya vortex sekaligus
bersamaan pada batas struktur
3.2 Sampel Mesoskopis
Seperti telah dibahas sebelumnya, pada sampel
mesoskopis diharapkan osilasi Little-Park akan
terlihat. Osilasi terlihat untuk kedua sampel Pb/Al
dan Al (Gambar 4).
Gambar 2. Plot batas fasa sampel makroskopik
Pb/Al dibandingkan dengan Al.
Dari plot terlihat bahwa batas fasa Pb/Al
bergeser ke arah Pb. Dari slop plot diperoleh Tc = 7
Kdan ξ(0) = 42 nm untuk struktur hibrid Pb/Al
(untuk Al Tc = 1.29 K dan ξ(0) = 178 nm). Terjadi
kenaikan Tc untuk Al sedangkan untuk Pb nilai T c
tetap. Fenomena ini merupakan perwujudan efek
proximity (kopling magnetik) dimanamedanPb
sebagai superkonduktor kopling kuat akan
mendominasi (screening) medan pada Al yang
merupakan superkonduktor kopling lemah dan
mencegah masuknya vortex. Osilasi T c terlihat
jelas untuk sampel Pb/Al mulai T=1.5 mT.
Dari pengukuran magnetoresistansi pada
beberapa nilai medan magnet terlihat bahwa
resistansi berubah seiiring perubahan medan
magnet (Gambar 3).
Gambar 4. Plot batas fasa sampel mesoskopik
Pb/Al dibandingkan dengan Al.
Untuk piringan Al mesoskopik, osilasi LittlePark terjadi dengan perioda 0,5 mT. Untuk Pb/Al
terlihat osilasi terjadi pada periode yang jauh lebih
besar 2mT. Hal ini disebabkan terjadinya
delay/penundaan
masuknya
vortex
(vortex
entrance) karena Pb masih mendominasi
(screening) medan Al dengan kuat. Periode osilasi
terlihat berkurang dengan kenaikan medan. Dari
slop plot diperoleh Tc = 6.4 Kdan ξ(0)= 52 nm
untuk struktur hibrid Pb/Al (untuk Al meso T c =
1.02 K dan ξ(0) = 153 nm). Nilai Tc untuk sampelsampel
mesoskopik
mengalami
penurunan
dibandingkan sampel-sampel makroskopik, hal ini
mengindikasikan
bahwa
nukleasi
superkonduktivitas dalam bahan sangat dipengaruhi
oleh ukuran permukaan batas sampel.
Magnetoresistansi sebagai fungsi dari medan
magnet untuk sampel mesoskopik prilakunya sama
dengan sampel makroskopik. Nilai resistansi
bervariasi seiring perubahan nilai medan magnet.
Untuk H=4.95 mT profil transisi resistif lebar
dengan jenjang-jenjang, hal ini kemungkinan
disebabkan oleh medan kritis untuk kontak lebih
besar dibandingkan dengan piringan (Gambar 5)
Gambar 3. Transisi resistif sampel makroskopik
Al/Pb pada beberapa nilai H.
Untuk nilai H yang tinggi, kurva transisi
terlihat lebih lebar dan terjadi pada beberapa
jenjang, hal ini merupakan gambaran nukleasi
superkonduktivitas yang pada awalnya terjadi
terjadi pada kontak kemudian diikuti oleh nukleasi
pada piringan. Untuk H=2.41 mT terlihat jelas
16
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 15 No. 1 Mei 2014
Gambar 5. Transisi resistif sampel makroskopik
Al/Pb pada beberapa nilai H.
4. Kesimpulan
Telah dilakukan penentuan karakteristik
transport elektron untuk struktur mesoskopik Al/Pb
yang terkopling secara magnetik untuk melihat
pengaruh Pb sebagai superkonduktor kopling kuat
terhadap batas fasa Al yang merupakan
superkonduktor kopling lemah. Dari hasil
pengukuran
diperoleh bahwa
medan
Pb
mendominasi medan Al dengan kuat baik untuk
sampel makro maupun mesoskopik. Osilasi LittlePark diamati dengan jelas pada sampel mesoskopik
dengan penundaan masuknya vortex untuk sampel
mesoskopik.
Dengan membandingkan hasil pengukuran
sampel makroskopik dan mesoskopik disimpulkan
bahwa untuk sampel-sampel yang ukurannya
berada pada orde yang mendekati (comparable)
panjang karakteristiknya, superkonduktivitas sangat
bergantung pada topologi sampel (dalam hal ini
jari-jari piringan) karena kondisi batas yang
ditentukan oleh bentuk sampel menentukan
geometri quantum-confinement dari elektron
Investigasi lebih lanjut diperlukan (magnetisasi,
pengukuran Hall dan visualisasi vortex untuk
memahami apa yang terjadi pada level
mikroskopik.
[4]
T.C. Chiang. Superconductivity in thin films,
Science. 306 (2004), p.1900-1.
[5] Bose, Sangita. Size Effects in Nanostructured
Superconductors. Ph.D. Thesis. Tata Institute
of Fundamental Research : Mumbai (2007).
[6] P. G. de Gennes, Boundary Effects in
Superconductors,
Rev. Mod. Phys. 36,
(1964). P. 225-237
[7] N. R. Werthamer, Theory of the
Superconducting Transition Temperature and
Energy Gap Function of Superposed Metal
Films. Phys. Rev. 132, (1963). P.2440-45.
[8] Golubov et al.,Proximity effect in
superconductor-insulator-superconductor
Josephson tunnel junctions: Theory and
experiment, Phys. Rev. B 51, 1073, (1995),
p.1073-89.
[9] W.A. Little, R.D.Parks, Observation of
Quantum Periodicity in the Transition
Temperature of a Superconducting Cylinder
Phys. Rev. Lett. 9, (1962), p.9-12.
[10] Y.Terai et al., Superconducting transition in
nanoscale aluminum structures, Physica B 298
(2001),p. 536-40.
[11] A. Kanda et al., Suppression of the LittleParks
oscillation
in
a
mesoscopic
superconducting ring, Physica B 284 (2000) ,
p.1870-71.
Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada
Alejandro Silhanek dan Prof. V. Moshchalkov atas
kesempatan penelitian dan diskusi ilmiahnya,
Daftar Acuan
[1] Y. Guo et al., Superconductivity Modulated by
Quantum Size Effects, Science 306, (2004),
p.1915-17.
[2] A. Bezryadin et al., Quantum suppression of
superconductivity in ultrathin nanowires.
Nature, 404, (2000), p.971-74.
[3] W. H. Li et al., Quantum size effects on the
superconducting
parameters
of
zerodimensional Pb nanoparticles, Phys. Rev. B
68, (2003), p.184507
17