Characterization of superconducting junctions by spin-polarized electron tunnelling spectroscopy

This thesis presents the fabrication and experimental investigation of two superconducting tunneling devices, based on Al/Al2O3/Ti (SC/I/SC) and EuS/Al/Al2O3/Al (FI/SC/I/SC) junctions. The materials were grown as thin films, employing chemical vapor deposition (CVD), and the insulating barrier was created by plasma oxidation techniques, all in ultra-high vacuum (UHV) conditions. For the experimental characterization, tunneling spectroscopy measurements were performed at cryogenic temperatures down to a minimum of 35 mK. The scope of this thesis was to investigate the transport properties of superconducting junctions and in particular superconducting junctions comprising interfaces with a ferromagnetic insulator (FI) compound. Such interfaces are important for studying the interplay of superconductivity and magnetism from which fascinating phenomena can emerge. The first part of the thesis is dedicated to the theoretical background. In the second part, the device fabrication process is explained, giving a detailed description of the different types of techniques for the growth of the materials. In the third part, the results of the experimental measurements are analyzed. The study of the Al/Al2O3/Ti junction is focused on revealing the characteristics of the superconducting Ti electrode in such devices, where the conductance presents sharp peaks in the quasi-particles (QP) density of states (DOS), which is characteristic of a (SC/I/SC) system. In the second device, a FI compound (EuS) is deposited next to an Al electrode, inducing a spin-splitting of its DOS. In the current-voltage characteristic of such a junction, it was possible to reveal multiple Andreev reflections (MAR) processes, a signature of the high quality of the interfaces. By comparing the result with a theoretical model considering the presence of an interfacial exchange field induced by the FI, excellent agreement was found.

Questa tesi presenta la fabbricazione e l’analisi sperimentale di due dispositivi a effetto tunnel superconduttivo, basati su giunzioni Al/Al2O3/Ti (SC/I/SC) e EuS/Al/Al2O3/Al (FI/SC/I/SC). I materiali sono stati cresciuti sotto forma di film sottili mediante deposizione chimica da vapore (CVD), mentre la barriera isolante è stata realizzata attraverso tecniche di ossidazione al plasma, il tutto in condizioni di ultra-alto vuoto (UHV). La caratterizzazione sperimentale è stata effettuata tramite misure di spettroscopia tunnel a temperature criogeniche fino a un minimo di 35 mK. L’obiettivo di questa tesi è stato lo studio delle proprietà di trasporto delle giunzioni superconduttive e, in particolare, delle giunzioni superconduttive contenenti interfacce con un isolante ferromagnetico (FI). Tali interfacce rivestono un ruolo cruciale nell’analisi dell’interazione tra superconduttività e magnetismo, dalla quale possono emergere fenomeni di grande interesse. La prima parte della tesi è dedicata alla teoria. Nella seconda parte viene descritto il processo di fabbricazione dei dispositivi, con un’analisi dettagliata delle diverse tecniche impiegate per la crescita dei materiali. Nella terza parte vengono discussi i risultati delle misure sperimentali. Lo studio della giunzione Al/Al2O3/Ti si concentra sull’analisi delle proprietà dell’elettrodo superconduttivo di Ti in tali dispositivi, in cui la conduttanza mostra picchi netti nella densità di stati delle quasi-particelle (QPDOS), caratteristici di un sistema SC/I/SC. Nel secondo dispositivo, un composto FI (EuS) è stato depositato in prossimità di un elettrodo di Al, inducendo una separazione di spin nella sua densità di stati. Nella caratteristica corrente-tensione della giunzione è stato possibile identificare processi di riflessione di Andreev multipli (MAR), segno della qualità elevata delle interfacce. Il confronto con un modello teorico che tiene conto della presenza di un campo di scambio interfacciale indotto dal FI ha mostrato un ottimo accordo con i dati sperimentali.