Absorptionsvermögen und dynamische Leitfähigkeit von supraleitenden Bi2Sr2CaCu2O8+d-Kristallen für Submillimeterwellen

vorgelegt von

Harry S. Barowski

Betreuer: Prof. Dr. K.F. Renk
Abgabe: 22.09.1997
Kolloquium: 08.12.1997

In dieser Arbeit wird über die Messung der Restabsorption und die Bestimmung der dynamischen Leitfähigkeit von supraleitenden Bismutkuprat-Einkristallen (Bi2Sr2CaCu2O8+d) im Frequenzbereich um 1 THz berichtet. Für die Messung der Restabsorption wurde ein fotothermisches Interferenz-Spektrometer (FIS) entwickelt. Aus dem Absorptionsvermögen und aus Reflektivitätsspektren, die mit Hilfe eines Fourier-IR-Spektrometers bestimmt wurden, wurde durch eine Kramers-Kronig-Analyse die dynamische Leitfähigkeit der Bismutkupratkristalle bei THz-Frequenzen bestimmt. Die dynamische Leitfähigkeit zeigt charakteristische Eigenschaften, wie sie für d-Wellensupraleiter vorhergesagt werden.

Zur Bestimmung des Absorptionsvermögens der Supraleiter (Probe) wird Strahlung eines FIR-Molekülgaslasers auf diese fokussiert. Absorption der Strahlung führt zu einer Erwärmung der Probe. Durch Wärmediffusion wird ein an die Probenoberfläche angrenzendes Gasvolumen erwärmt, wodurch die Dichte und der Brechungsindex des Gases geändert werden. Die Messung der Brechungsindexänderung des Gases erfolgt mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Ein Teilstrahl des Interferometers passiert das Gasvolumen nahe der Probenoberfläche, der zweite Strahl das nicht erwärmte Gasvolumen in größerer Entfernung zur Probenoberfläche. Die Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen beiden Strahlen ist dabei abhängig von der Temperaturerhöhung im Gas und ist ein Maß für das Absorptionsvermögen der Probe.

Das Absorptionsvermögen einer optimal dotierten Probe (d = 0,16) bei 20 K besaß bei Frequenzen unterhalb von 1 THz eine quadratische Abhängigkeit von der Frequenz. Das Absorptionsvermögen war im Frequenzbereich zwischen 1 THz und 4 THz konstant (0,4 %). Dieses Plateau erstreckte sich bis zu einer Frequenz von 13 THz, wo ein starker Anstieg des Absorptionsvermögen auftrat. Die Restabsorption einer überdotierten Probe (d = 0,19) und einer unterdotierten Probe (d = 0,09) war gegenüber dem der optimal dotierten Probe im Frequenzbereich um 1 THz erhöht, zeigte kein Plateau, sondern wuchs in beiden Fällen mit zunehmender Frequenz an. Die dynamischen Leitfähigkeit für den optimal dotierten Bi2Sr2CaCu2O8+d-Supraleiter zeigt charakteristische Eigenschaften, wie sie für d-Wellensupraleiter mit starken, elastischen Streuprozessen an Verunreinigungen erwartet werden. Das Verhalten der dynamischen Leitfähigkeit für über- bzw. unterdotierte Bi2Sr2CaCu2O8+d-Supraleiter gibt Hinweise auf erhöhte Paarbrechungseffekte und einer erhöhten Streurate der Ladungsträger bzw. einen Einfluß der Sauerstoffdotierung auf die Kopplungsstärke.