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Thermische Eigenschaften von supraleitenden massiven metallischen Gläsern bei ultratiefen Temperaturen

Rothfuß, Daniel Simon

English Title: Thermal properties of superconducting bulk metallic glasses at ultralow temperatures

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmalig die thermischen Eigenschaften von supraleitenden massiven metallischen Gläsern im Temperaturbereich zwischen 6mK und 300K untersucht. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit bietet die Möglichkeit fundamentale Wechselwirkungsmechanismen zu beobachten, die den Wärmetransport in Festkörpern bestimmen. Bei ultratiefen Temperaturen wurde hierfür eine neuartige berührungsfreie Messmethode verwendet. Diese basiert auf einer optischen Heiztechnik und paramagnetischen Temperatursensoren, die über SQUID-Magnetometer ausgelesen werden. Die Messergebnisse lassen sich weit unterhalb von TC durch die resonante Streuung der Phononen an atomaren Tunnelsystemen beschreiben. Oberhalb von Tc kann der phononische Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit mithilfe eines Modells erfolgreich beschrieben werden, das neben Elektronen und Defekten lokalisierte Moden als zusätzliche Streuzentren für Phononen berücksichtigt. Zur experimentellen Erschließung des Mikrokelvinbereichs wurde ein adiabatischer Kernentmagnetisierungskryostat aufgebaut. Die Badtemperatur wurde mit einem neuartigen Rauschthermometer bestimmt, das zum ersten Mal eine kontinuierliche Temperaturmessung in diesem Bereich ermöglicht. Dafür wird das magnetische Johnson-Rauschen eines massiven Kupferzylinders gleichzeitig durch zwei SQUID-Magnetometer induktiv ausgelesen. Die anschließende Kreuzkorrelation unterdrückt das Verstärkerrauschen um mehr als eine Größenordnung. Das Thermometer wurde zwischen 42µK und 0,8K charakterisiert, wobei keine Abweichungen vom erwarteten linearen Verhalten zwischen der Rauschleistung und der Temperatur festgestellt wurde.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the first investigation of thermal properties of superconducting bulk metallic glasses in the range between 6mK and 300K. Measuring the thermal conductivity provides the possibility to probe the fundamental interactions governing the heat flow in solids. At ultralow temperatures a novel contactless measuring technique was used, which is based on optical heating and paramagnetic temperature sensors that are read out by a SQUID magnetometer. Below the critical temperature Tc the results can be described by resonant scattering of phonons by tunneling systems. Above Tc the phonon contribution to the thermal conductivity can be described successfully within a model considering not only electrons and phonons but also localized modes as scattering centres. To expand the accessible temperature range for experiments an adiabatic nuclear demagnetization refrigerator was set up. For measuring the base temperature a novel noise thermometer was developed which enables continuous measuring of the temperature in this temperature range for the first time. Therefore the magnetic Johnson noise of a massive copper cylinder is simultaneously monitored by two SQUID magnetometers. A subsequent cross-correlation suppresses the amplifier noise by more than one order of magnitude. The thermometer was characterized between 42µK and 0.8K showing no deviation from the expected linear behaviour between the power spectral density of the thermal noise and the temperature.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Date of thesis defense: 7 November 2013
Date Deposited: 12 Nov 2013 10:22
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Amorpher Festkörper, Metallisches Glas, Rauschthermometrie, Tieftemperaturtechnik, Temperaturmessung, Wärmeleitfähigkeit
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