English Title: Specific Heat of Superconducting Metallic Glasses at Low Temperatures

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden mit der Bestimmung der spezifischen Wärme supraleitender massiver metallischer Gläser (BMGs) im Temperaturbereich zwischen 25mK und 300K erstmalig deren thermodynamische Eigenschaften bei diesen Temperaturen detailliert untersucht. Die Messungen wurden mit Hilfe eines Aufbaus durchgeführt, welcher die etablierte Relaxationsmethode implementiert. Des Weiteren wurde ein neuartiger mikrostrukturierter Aufbau zur Untersuchung kleinster Proben mit Massen von nur wenigen Milligramm bis hinab zu Temperaturen von 5mK entwickelt. Die Temperatur dieser Plattform wird mit Hilfe eines metallischen paramagnetischen AgEr-Sensors bestimmt, welcher durch eine mikrostrukturierte, gradiometrische Mäanderspule aus Niob mit Hilfe eines dc-SQUIDs induktiv ausgelesen wird. Auf diese Weise konnte eine hervorragende Temperaturauflösung von unter 30nK/sqrt{Hz} und eine äußerst geringe Addenda von unter 200pJ/K bei 50mK erreicht werden. Durch die Verknüpfung gemessener spezifischer Wärmen mit Daten der Wärmeleitfähigkeit konnten die unterschiedlichen Freiheitsgrade der untersuchten BMGs sowie deren Wechselwirkungsmechanismen konsistent modelliert werden: Für T > 2K zeigt sich eine ausgeprägte Anomalie in der phononischen spezifischen Wärme, welche durch lokalisierte harmonische Vibrationen hervorgerufen wird. Unterhalb des Phasenübergangs in den supraleitenden Zustand, in dem Wechselwirkungen atomarer Tunnelsysteme mit Quasiteilchen berücksichtigt werden müssen, stehen die Beobachtungen im Einklang mit der BCS-Theorie. Bei tiefsten Temperaturen lassen sich die Ergebnisse im Rahmen des Standardtunnelmodells interpretieren.

Translation of abstract (English)

In the framework of this thesis we performed, for the first time, an in-depth investigation of the thermodynamic properties of superconducting bulk metallic glasses (BMGs) by means of specific heat measurements in the temperature range between 25mK and 300K. To determine the specific heat we used a setup based on the well-established relaxation method. Furthermore we developed a novel micro-fabricated platform to measure superconducting, mg-sized samples down to T = 5mK. The platform temperature is measured by a metallic paramagnetic AgEr sensor that is inductively coupled to the input coil of a dc-SQUID by means of a micro-structured gradiometric meander coil. Thereby, we reached a temperature resolution of less than 30nK/sqrt{Hz} and a very low addenda heat capacity below 200pJ/K at 50mK. Connecting the obtained results with thermal conductivity data we were able to consistently model the various degrees of freedom in these BMGs and their interaction mechanisms: For temperatures T > 2K, we find pronounced low temperature anomalies in the phononic specific heat, which are attributed to localized harmonic vibration modes. In the superconducting state close to Tc, where interactions of atomic tunneling systems with quasi-particles need to be taken into account, both measurements agree well with BCS-theory predictions. Far below Tc we find good agreement between the data and the standard tunneling model predictions.