Nanoscale modulation of high-t C superconductivity

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1 Nanoscale modulation of high-t C superconductivity Javier E. Villegas Unité Mixte de Physique

2 2 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

3 3 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

4 4 / The early stages at Universidad Complutense ( ) J. Santamaría J. L. Vicent as undergraduate Oxide superconductors & heterostructures as PhD student Metallic superlattices Artificial pinning in superconductors

5 5 / Reasons for a postdoc at Schuller s lab

6 6 / : the San Diego days (best ever!!)

7 7 / What I worked on in San Diego Quasiperiodic and fractal vortex lattices Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Villegas, Montero, Li and Schuller, PRL (2006) Golden ratio 1.618

8 8 / What I worked on in San Diego Interaction between magnetic and superconducting vortices Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. 0 Villegas, Li and Schuller, PRL (2007) Villegas, Morales, Schuller et al. PRB (2008) Villegas, Sharoni, Schuller et al. APL (2009) Villegas and Schuller, SUST (2011)

9 9 / Moving to France Hasta la vista, baby! Unité Mixte de Physique CNRS/Thales

10 10 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

11 11 / Induced remanence & hysteresis in high-tc s Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable H (koe) YBCO 20 nm R % T<Tc H STO R % H (koe) (Pt 1 nm /Co 0.6 nm) YBCO 20 nm STO 2 m Visani, Villegas et al. PRB (2011)

12 12 / Origin: vortices induced by the field from magnetic domains Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable T C R ( ) R % 0.0 M /M S H (koe) Hybrid structures, dissimilar materials x ( m) Visani, Villegas et al. PRB (2011) I II III Different remanent states induced via an external parameter RECONFIGURABILITY I II 0.85T C / T C III HS (Oe)

13 13 / So what could I do now? Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. based on vortex confinement and guidance via artificial energy landscapes Vortex diodes Villegas, Vicent et al. Science (2003) Memory devices fluxtronic devices Milošević & Peeters APL (2010) Hastings et al. PRL (2003) Why oxide superconductors? Logic operation Signal processing high T C Ooi et al. PRL (2007) high critical fields

14 14 / But. Artificial pinning in High Tc superconductors Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Goldberg et al. PRB (2009) Focused ion beam (BSCCO) Avci et al. APL. (2010) Lithography + etching (YBCO) Wördenweber et al. APL (2009) typical sizes ~ hundreds of nm and so......fields only in the tenths of Gauss

15 15 / Hey huevón, forget magnetic nanodots! Reinvent yourself!!!

16 16 / The goal Manipulation of magnetic flux quanta using electrostatic fields

17 17 / Getting into it Electric field effects in correlated oxide systems Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Ahn, Triscone & Mannhart, Nature (2003)

18 18 / Getting into it Electrostatic modulation of superconductivity in ultrathin GdBa 2 Cu 3 O 7-d Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Ferroelectric Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 High-Tc Superconductor Ferroelectric gate Ahn, Triscone et al., Science (1999) Switching requires only a voltage pulse persistent, reversible effect T C ~7 K

19 19 / n t C S N S T Outstanding question FERROELECTRIC SUPERCONDUCTOR

20 20 / Outstanding question n t C n t C S N S As the domain size is reduced: T FERROELECTRIC SUPERCONDUCTOR n t C? - Does the doping contrast average out? - Does the proximity-effect supress the S/N/S contrast??

21 21 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

22 22 / Spatial modulation of superconductivity via ion irradiation Ion energy: kev Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Mask thickness: ~ 800 nm (PMMA) 60 m (alumina) YBCO thickness: 50 nm O + PMMA mask (e-beam lithography) 1 m Self-organized alumina mask 1 m 200 nm Villegas et al., Nanotechnology (2011) Swiecicki, Villegas et al., submitted (2011)

23 23 / Monte Carlo simulations of ion damage 80 tc (K) Control parameteres: - Energy E - Fluence f - Array parameter d d MASK 100 nm >5 5E-3 3 3E-3 Ratio of displaced 1E-3 atoms (x 10-3 ) 1 8E E-4 <0.4 Monte-Carlo simulations via SRIM (IBM) (calculated via Abrikosov-Gorkov depairing law)

24 24 / Experiment B (kgauss) B 1 0 d 2 Periodic flux pinning B R/RN (10-3 )

25 25 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

26 26 / How large does the Tc modulation need to be? Experiments as a function of the irradiation fluence Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable B (kgauss) (a) R/RN (10-3 ) R/RN (10-3 ) R/RN (10-3 ) nm f= cm -2 f= cm -2 f=10 13 cm x (nm) x (nm) x (nm) t C (K) t C (K) t C (K) t C ~ 60 K t C ~ 30 K t C ~ 10 K

27 27 / Lateral length scales Channelling along the array principal axes yield the largest oscillations for shortest d Velez et al. JMMM (2008) Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable B (kgauss) B (kgauss) B (kgauss) R/RN (10-3 ) d=120 nm d=150 nm d=180 nm 80 tc (K) >5 5E-3 f= cm -2 f= cm -2 f= cm -2 <0.4 4E-4 3E-3 3 1E E B1 (T) /d 2

28 28 / Lessons to be learned In order to obtain an efficient energy landscape for vortices in high-tc films: 1) t C > ~10 K 2) length scales : control of the geometry in the sub-100 range

29 29 / Outline How (and why) I became a «Schullerite» Motivation & challenges Periodic pinning via ion irradiation Lessons to be learned Ferroelectric manipulation of magnetic flux quanta Conclusions

30 30 / Strategy for nanoscale ferroelectric field effects in SC Choose of a strong polarization ferroelectric: BiFeO 3 P~ 100 C cm -2 along [111] Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. pseudocubic a=0.396 nm = 89.4º Archetypal high-temperature superconductor YBa 2 Cu 3 O 7-d a=0.382 nm, b=0.388 nm, c=1.168 nm T C =92 K P ~ 65 C cm -2 along [001] Strong P even in thin films, see Béa et al., APL (2007)

31 31 / PLD grown YBCO/BFO heterostructures Excimer KrF =248 nm T BFO =580 ºC T YBCO =650 ºC P o2 =0.355 mb PrBa 2 Cu 3 O 7 buffer layer a (deg) B [001] b (deg) 5 nm t YBCO = 1 to 7 u.c. t BFO = 30 nm SUPREX (Schuller!!) I (a.u.)

32 32 / Local manipulation of the ferroeletric state AFM, PFM and conductive-tip AFM of the top BiFeO 3 layer Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. V DC BFO YBCO Piezoresponse cycle PFM (out-of-plane) PFM (in-plane)

33 33 / Very big modulation of Tc upon ferroelectric switching! (e) Phase (degrees) Crassous, Villegas et al., arxiv: (2011) 5 µm down up (d) Phase (degrees)

34 34 / Very big modulation of Tc upon ferroelectric switching! (e) Phase (degrees) Crassous, Villegas et al., arxiv: (2011) 5 µm down up (d) T (K) Phase (degrees) 1 R/R (T=150 K) 0 (a) n depleted BFO YBCO doped BFO YBCO T (K) n T C ~ 30 K

35 35 / YBCO thickness dependence of the Tc modulation bulk YBCO 1 T C n (holes cm -3 ) TC (K) T(K) R (k ) (b) TC (K) t YBCO (u.c.) Crassous, Villegas et al., arxiv: (2011)

36 36 / Writting ferroelectric domain arrays V DC BFO YBCO AFM PFM (phase) PFM (amplitude)

37 37 / (a) a Ferroelectric pinning of magnetic flux quanta b H J 200 nm (b) 180º 0º (b) Crassous, Villegas et al., arxiv: (2011) H (koe) R/R(H=0) d d H H 960 Oe Matching for d=b T~0.9T C

38 38 / Ferroelectric pinning of magnetic flux quanta Crassous, Villegas et al., arxiv: (2011) 200 nm (b) H (koe) R/R(H=0) 180º 0º H a b J H 0 S H 1400 Oe

39 39 / A new class of magneto-electric coupling t C 0 Ferroelectric Superconductor The magnetic induction in the S locally coupled to the ferroelectric polarization

40 40 / Control of single vortices? V 1 0 -V 1 0 V 1 Josephson juctions circuits...etc... Outlook Cellular automata Hastings et al. PRL (2003)

41 41 / Conclusions Nanoscale energy potentials for vortices in High-Tc films vortex manipulation in high magnetic fields Ion irradiation Allows finely tuning the geometry and intensity of the pinning landscape Villegas et al., Nanotechnology (2011) Swiecicki, Villegas et al. submitted (2011) Ferroelectric pinning 200 nm Tunable, reconfigurable geometry Crassous, Villegas et al. arxiv: (2011) Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable.

42 42 / Collaborators Arnaud Crassous (graduate student, looking for a postdoc) Cristina Visani, Igor Swiecicki, R. Bernard, J. Briatico, and Javier E. Villegas Superconductivity Group K. Bouzehouane, S. Fusil, M. Bibes, and A. Barthélémy Functional Oxydes Group C. Ulysse and G. Faini LPN, Marcoussis S. Enouz-Vedrenne Thales TRT T. Wolf, N. Bergeal and J. Lesueur LPEM, CNRS-ESPCI Work supported by French ANR SUPERHYBRIDS-II, Meloic and Oxitronics contracts. Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable.

43 43 / HAPPY BIRTHDAY IVAN, and MANY THANKS!!!!

44 44 / Strong effects even at very low temperatures T C 0.4T C B/B B/B 1 R/RN JC (ka cm-2 ) Enhancement of the critical current below the irreversibility line fractional matching effects observed at low temperatures 0.2T C

45 45 / Motivation Artificial pinning in High Tc superconductors Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Goldberg et al. PRB (2009) Focused ion beam (BSCCO) Avci et al. APL. (2010) Lithography + etching (YBCO) Wördenweber et al. APL (2009) typical sizes ~ hundreds of nm and so......fields only in the tenths of Gauss

46 46 / Properties of the as-grown samples Superconducting properties as a function of YBCO thickness Ce document et les informations qu il contient sont la propriété de THALES. Ils ne peuvent être reproduits, communiqués ou utilisés sans son autorisation écrite au préalable. Van de Pauw four-probe measurements (Al wire wedge-bonding)

47 47 / Carrier density variation as a function of YBCO thickness n (10 20 cm -3 ) t YBCO (u.c.) nsheet (1014 cm -2 ) From the BFO polarisation along (001) t YBCO (u.c.) P ~ 65 C cm 14 n theo sheet 2 P / e ~ 8 10 cm 2 2

48 48 / Reason for different matching geometry Enhanced ordering in the direction perpendicular to flux motion Channeling along the direction in which the distance between pinning sites is shortest J v J Velez et al. JMMM (2008) v

49 49 / f= cm -2 f= cm -2 f= cm -2 d=120 nm Simulations agree with experiments d=150 nm d=180 nm f= cm d (nm) t C (K) d=120 nm TC /T C VIRG Simulation Experiment VIRG T (K) t C to be compared with the experimental T C f (10 13 cm -2 ) /

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