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Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Rastertunnelmikroskopiestudie an dem stöchiometrischen Supraleiter Lithium-Eisenarsenid (LiFeAs). Topographie- sowie Spektroskopieuntersuchungen an defektfreien Bereichen der Oberfläche zeigen eine Variation der Atompositionen in Abhängigkeit von der Tunnelspannung. Weiterhin wurde die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke untersucht. Dabei konnte die Signatur einer bosonischen Mode und damit eine Kopplung von Quasiteilchen beobachtet werden. Neben der Untersuchung defektfreier Oberflächen wurden auch Defekte und deren Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften analysiert. Es wurde dabei festgestellt, dass Defekte die supraleitende Energielücke ortsabhängig verändern. Die Defekte lassen sich aufgrund ihrer Symmetrie einer möglichen Gitterposition zuordnen. Eine detaillierte spektroskopische Untersuchung verschiedener Defekte zeigt deren Einfluss auf die Zustandsdichte der supraleitenden Quasiteilchen. Dabei stellt sich heraus, dass As-Defekte die supraleitende Energielücke erheblich beeinflussen. Fe-Defekte zeigen hingegen nur einen geringen Effekt. Für die Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wurden Messungen im Magnetfeld durchgeführt. Hierfür wird in dieser Arbeit eine geeignete Näherungsfunktion hergeleitet. Die Näherung der differentiellen Leitfähigkeit bei U=0 V in einem Flussschlauch erlaubt die Bestimmung einer Kohärenzlänge von 3,9 nm. Dies entspricht einem oberen kritischen Feld von 21 Tesla. Neben der Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wird auch eine Analyse des Flussschlauch-Gitters durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass der Flussschlauch-Gitterabstand dem eines tetragonalen Gitters entspricht. Allerdings zeigt sich für Magnetfelder größer als 6 Tesla eine zunehmende Unordnung des Flussschlauch-Gitters, was auf eine stärker werdende Flussschlauch-Flussschlauch-Wechselwirkung hindeutet. This work presents scanning tunneling microscopy and spectroscopy investigations on the stoichiometric superconductor lithium iron arsenide (LiFeAs). To reveal the electronic properties, measurements on defect-free surfaces as well as near defects have been performed. The former shows a shift of atomic position with respect to the applied bias voltage. Furthermore, temperature dependent spectroscopic measurements indicate the coupling of quasiparticles in the vicinity of the superconducting coherence peaks. LiFeAs surfaces influenced by atomic defects show a spacial variation of the superconducting gap. The defects can be characterized by their symmetry and thus can be assigned to a position in the atomic lattice. Detailed spectroscopic investigations of defects reveal their influence on the quasiparticle density of states. In particular, Fe-defects show a small effect on the superconductivity while As-defects strongly disturb the superconducting gap. Measurements in magnetic field have been performed for the determination of the Ginzburg-Landau coherence length . For this purpose, a suitable fit-function has been developed in this work. This function allows to fit the differential conductance of a magnetic vortex at U=0 V. The fit results in a coherence length of 3,9 nm which corresponds to an upper critical field of 21 Tesla. Besides measurements on a single vortex, investigation on the vortex lattice have been performed. The vortex lattice constant follows thereby the predicted behavior of a trigonal vortex lattice. However, for magnetic fields larger than 6 Tesla an increasing lattice disorder sets in, presumably due to vortex-vortex-interactions.

Bis zum heutigen Tag stellt das Phänomen des Confinements in der QCD ein faszinierendes Problem dar. Der Zentrumsvortexmechanismus beschreibt eine mögliche Erklärung des Confinements im rein gluonischen Anteil der QCD. In der vorliegenden Dissertation konzentrieren wir unsere Untersuchungen auf die Bedeutung der Zentrumsvortizes für die Physik im infraroten Bereich der SU(2) Yang-Mills-Theorie mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen der SU(2) Gittereichtheorie. Am Anfang geben wir einen kurzen Überblick über die Gittereichtheorie und die verwendeten numerischen Algorithmen, die für die Monte-Carlo-Simulationen notwendig sind. Anschließend führen wir das Bild der Zentrumsvortizes für den Farbeinschluß ein und erklären den Phasenübergang von der Confinementphase in die Deconfinementphase mittels des Perkolation-Deperkolation-Phasenübergangs der Zentrumsvortizes. Durch einen Vergleich der räumlichen Stringtension sowohl der dreidimensionalen reinen Yang-Mills-Theorie als auch der dreidimensionalen Yang-Mills-Theorie gekoppelt an adjungierte Higgsfelder mit der Stringtension berechnet mit zentrumsprojizierten Linkvariablen, weisen wir nach, dass die räumliche Stringtension zentrumsdominant ist. Desweiteren finden wir eine Vortexflächendichte, die übereinstimmt mit den Ergebnissen aus der vierdimensionalen reinen Yang-Mills-Theorie. Beide Ergebnisse stützen das Zentrumsvortexbild der Hochtemperaturphase der vierdimensionalen Yang-Mills-Theorie. Darauf folgend untersuchen wir die Bedeutung der Zentrumsvortizes für das Verhalten der Greenschen Funktionen, d.h. der Gluon- und Geistformfaktoren, im Infrarotbereich und ihren Einfluß auf den Farbeinschluß. Mit Hilfe von neuen numerischen Algorithmen berechnen wir direkt die Formfaktoren, die die Abweichung eines Propagators von einem freien Propagator angeben. Die Berechnungen der Formfaktoren werden in der Landaueichung vollzogen. Die in den Formfaktoren enthaltene Information über den Farbeinschluß wird extrahiert, indem die Zentrumsvortizes aus den Konfigurationen der Linkvariablen eliminiert werden. Dies führt auf ein Modell, das keinen Farbeinschluß besitzt. In der vollständigen, farbeinschließenden Theorie besitzt der Gluonformfaktor ein ausgeprägtes Maximum im mittleren Impulsbereich, während das bekannte Ergebnis aus der Störungsrechnung bei hohen Impulsen reproduziert wird. Nahe den verschwindenden Impulstransfers zeigt der Gluonformfaktor ein von einer Masse dominiertes Verhalten. Betrachtet man das nicht-farbeinschließende Modell, so verliert der Gluonformfaktor im mittleren Impulsbereich an Wert und zeigt eine klare Abweichung von dem Verhalten des Gluonformfaktors der vollständigen Theorie. Desweiteren finden wir einen divergenten Geistformfaktor im Infrarotbereich. Unser Ergebnis stimmt mit der Gribov-Zwanziger-Bedingung für Confinement überein. Diese Bedingung setzt die Divergenz des Geistformfaktors am Gribovhorizont in direkten Bezug zu dem Farbeinschluß. Betrachten wir das nicht-farbeinschließende Modell, so divergiert der Geistformfaktor im Infrarotbereich nicht mehr. Die im Geistformfaktor beinhalteten Signale des Confinements gehen verloren, wenn der Beitrag der Zentrumsvortizes eliminiert wird. Da die laufende Kopplung direkt aus den Gluon- und Geistformfaktoren berechnet werden kann, zeigen wir ihre Abhängigkeit von den Zentrumsvortizes im Infrarotlimes. Die laufende Kopplung der vollständigen Theorie und des nicht-farbeinschließenden Modells reproduzieren das perturbative Verhalten in dem Bereich, in dem die Störungsrechung gültig ist. Im Bereich der mittleren Impulse ist die laufende Kopplung des Modells stark unterdrückt und scheint im Infrarotlimes zu verschwinden, wohingegen die laufende Kopplung der vollständigen Theorie stark ansteigt und sich im Infrarotlimes einer nicht-verschwindenden Konstante anzunähern scheint. Anschließend vergleichen wir unsere Meßdaten mit den Ergebnissen, die man aus dem Dyson-Schwinger-Zugang erhalten hat. Beide Resultate stimmen qualitativ gut überein. Auch werden die Formfaktoren bei endlichen Temperaturen berechnet. Unsere Resultate bei hohen Temperaturen stimmen ebenfalls mit einer nicht verschwindenden Stringtension überein. Abschließend betrachten wir den Einfluß der Gribovkopien auf die Formfaktoren in der Landaueichung. Die Formfaktoren sind qualitativ stabil gegenüber dem Gribovrauschen. Schlußendlich konnten wir die Bedeutung der Zentrumsvortizes für das Infrarotverhalten der Greenschen Funktionen der reinen Yang-Mills-Theorie und für den Farbeinschluß aufzeigen. Unsere Resultate stellen eine Beziehung zwischen dem Confinementmechanisum der Zentrumsvortizes und dem Gribov-Zwanziger-Confinementkriterium her. Down to the present day, the phenomenon of color confinement represents still a challenging problem of quantum chromodynamics. In the pure gluonic sector of QCD, the center vortex confinement mechanism describes a possible explanation of color confinement. In the present thesis, we concentrate our investigations on the relevance of center vortices for the infra-red physics of pure SU(2) Yang-Mills theory by means of Monte-Carlo simulations of SU(2) lattice gauge field theory. At the beginning, we give a short review of lattice gauge field theory and of the numerical algorithms needed for our Monte-Carlo simulations. Subsequently, we introduce the center vortex mechanism of color confinement and we explain the confinement-deconfinement phase transition of pure Yang-Mills theory by the percolation-depercolation phase transition of center vortices. By a comparison of the spatial string tension of the three-dimensional pure Yang-Mills theory as well as three-dimensional pure Yang-Mills theory coupled to adjoint Higgs fields with the value of the string tension obtained from the pure center vortex content, we show that the spatial string tension is center dominated. Furthermore, we find a vortex area density being in accordance with the vortex area density of the four-dimensional theory. Both findings support the center vortex picture of the high temperature phase of four-dimensional Yang Mills theory. Afterwards, we investigate the relevance of center vortices for the behavior of Green's functions, i.e. the gluon and ghost form factors, in the infra-red region and their importance for color confinement. By using novel numerical algorithms, we measure directly the form factors giving the deviation of the propagators from the free ones. The calculations of the form factors were performed in Landau gauge. The information of color confinement encoded in the form factors is extracted by removing the center vortices from the ensemble of link variables by hand. This results in a non-confining model. In the full, confining theory the gluon form factor has a rather pronounced peak in the medium momentum range, while at high momenta the result obtained by perturbative Yang-Mills theory is reproduced. Close to zero momentum transfer, the gluon form factor is mass dominated. Considering the non-confining model, the gluon form factor looses a good part of strength in the medium momentum range showing a clear deviation form the gluon form factor of the confining theory. Furthermore, we find a divergent ghost form factor in the infra-red region. Our result is in accordance with the Gribov-Zwanziger criterion for color confinement which directly relates the divergence of the ghost form factor at the Gribov horizon to color confinement. If we consider the non-confining model, the ghost form factor ceases to diverge in the infra-red limit. Hence, the signals of confinement encoded in the ghost form factor are lost when the center vortex content of the theory is eliminated. Using the fact that the running coupling constant can be obtained directly from the gluon and ghost form factors, we show its dependence on the center vortex content in the infra-red limit. The running coupling constants of the full theory and of the non-confining model reproduce nicely the perturbative running coupling constant in the region where perturbation theory holds. In the region of medium momenta, the strength of the running coupling of the non-confining model is strongly suppressed and seems to vanish in the infra-red limit, whereas the running coupling of the full theory increases and seems to reach a non-zero constant in the infra-red limit. Subsequently, we compare our measured data with the results obtained by the Dyson-Schwinger approach. Both findings are in good agreement on a qualitative level. The form factors are also computed at finite temperatures. Our results at high temperatures agree with a non-vanishing spatial string tension. Finally, we consider the influence of Gribov copies on the form factors in Landau gauge. On a qualitative level, the form factors are stable against Gribov noise. In conclusion, we have shown the relevance of center vortices for the infra-red behavior of Green's functions of pure Yang-Mills theory and for color confinement. Our results establish a connection between the center vortex mechanism of confinement and the Gribov-Zwanziger confinement criterion.

Eine Möglichkeit den Treibstoffverbrauch zu senken besteht darin, das Aufwindfeld von Wirbelschleppen vorausfliegender Flugzeuge auszunutzen. Dieses Prinzip machen sich Zugvögel im Formationsflug zunutze. Für Piloten ist der manuelle Formationsflug im treibstoffsparenden Optimalpunkt zu arbeitintensiv. Diese Aufgabe muss ein Flugregler übernehmen. Die Auslegung eines solchen Formationsflugreglers erfordert ein Wirbelschleppensimulationsmodell, welches die von der Wirbelschleppe induzierten Windfelder berechnet. In diesem Beitrag werden zwei verschiedene Wirbelschleppensimulationsmodelle für das Szenario eines stationären Horizontalflugs verglichen und anhand des Ergebnisses des etablierten Stangenwirbelmodells beurteilt. Die zu vergleichenden Simulationsmodelle nutzen einerseits die Prandtlsche Traglinientheorie (engl.: Lifting Line Method, LLM) und andererseits eine instationäre Wirbelgittermethode (engl.: Vortex Lattice Method, VLM). Beide Methoden basieren auf der Lagrangeschen Betrachtungsweise der Bewegung von Fluidteilchen, bei der einzelne Fluidteilchen an vordefinierten Tragflächenpositionen in die Nachlaufströmung übergeben werden und sich dort frei bewegen können. Die Bewegung der Fluidteilchen im Nachlauf führt zur Bildung von Streichlinien. Die Streichlinien werden durch abschnittsweise gerade Wirbelfilamente approximiert. Die Wirbelstärke der Wirbelschleppe wird durch Zirkulationswerte der Wirbelfilamente diskretisiert. Aus den Lage der Wirbelfilamente und ihrer Zirkulation kann das Windfeld der Wirbelschleppe berechnet werden. Die LLM-Simulation basiert auf stärker vereinfachten Annahmen als die VLM. Die Gegenüberstellung beider Modelle leistet einen Beitrag, Modellierungsfehler zu untersuchen, welche durch diese Vereinfachungen entstehen können. Der Vergleich zeigt auch, dass die Ergebnisse beider Berechnungsmethoden in Bezug auf die Wirbelfilamentpositionen und Windfelder bei identischen Parametern ähnlich sind. Die in der LLM umgesetzten Vereinfachungen führen zu einer mit der VLM vergleichbaren Wirbelschleppenberechnung im Falle eines stationären Horizontalfluges. Die Abhängigkeit der Verfahren von ihren Parametern und die Konvergenz hin zu feineren Parametern wird untersucht. Daraus werden Empfehlungen für Parameterwerte abgeleitet.

Neue Echtzeitflugsimulationen, die in der Lage sind Strömungsablösung zu modellieren, könnten dabei helfen, das Pilotentraining von Piloten der Allgemeinen Luftfahrt zu verbessern. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die darauf abzielt, den Flugbereich von Flugsimulatoren zu höheren Anstellwinkeln zu erweitern. Sie besteht aus einer instationären 2D Vortex Method, für die Simulation von Ablösebereichen und einer Vortex Lattice Method für anliegende Strömung. Erste flugmechanische Ergebnisse zeigen, dass eine Erweiterung des simulierten Flugbereichs zu höheren Anstellwinkeln mit einem Ablösebereich an der Flügelwurzel gelingt.

Within this paper two methods to estimate the aerodynamic benefits of a two-aircraft formation will be compared. The first model calculates the average up-wash velocity at the follower’s wing resulting from the leaders wake and superimposes it on the aircraft speed during the trajectory calculation. The second model uses a vortex lattice method to model the aerodynamic interactions between the leader and the follower for a set of specific flight states beforehand. This database can be used by the trajectory calculation to interpolate the actual benefits for the given flight. In this paper for a specific aircraft type and an example mission both methods will be compared and it will be shown, that they can be used to derive surrogate models to predict the formation benefits based on general formation data. To further improve the prediction of the aerodynamic benefits, the influence of gust and turbulence will be assessed by simulating the aircraft reaction on the disturbances and deriving a reduction factor degrading the aerodynamic benefits creating a database and corresponding surrogate models. The occurrence of turbulence and gust can then stochastically be imposed during the trajectory calculation and the sensitivity of the aerodynamic benefits will be examined.

The highly parameterized process cpacs-MONA for structural and aeroelastic design of aircraft configurations is presented. The parameterized design process is based on the Common Parametric Aircraft Configuration Schema (CPACS), developed by DLR, where almost all aircraft parameters like mission, geometry, structure, and material are defined. The process stands out for its independent use for structural and aeroelastic design on the one hand and its integration into high fidelity based multidisciplinary optimization tasks on the other hand. The process consists of preliminary mass and loads estimation based on conceptual design methods followed by a parameterized set-up of simulation models and an optimization model. They are used for a comprehensive loads analysis followed by a component wise structural optimization. The latter takes stress, strain, buckling and control surface efficiency as constraints into account. The structural simulation model consist of shell and beam elements for the wing-like component and the fuselage in order to represent the construction of the load carrying structure of the complete aircraft appropriately. Such depth of modelling allows also for the use of well-established structural optimization methods. MONA stands for ModGen, the in-house parametric model generation computer program, and MSC Nastran, used for loads and aeroelastic analysis as well as for structural optimization. cpacs-MONA is also integrated in MDO tasks, where other disciplines like aerodynamics and overall aircraft design are involved. Therein aerodynamic data from high fidelity CFD calculations are used to improve the vortex lattice based aerodynamic method that is applied of the aeroelastic loads analysis. The MDO tasks where cpcas-MONA is integrated can be gradient-free and gradient-based. For the gradient-based MDO task cpacs-MONA delivers to the system optimization level the structural variables, the structural responses the corresponding sensitivities. As structural optimization task alone can deal with a high number of variables and constraints, for the MDO task with other disciplines, like aerodynamics, methods were developed where the number of constraints is reduced that are taken into account on the system level. Two applications are presented for cpacs-MONA. In the first application cpacs-MONA is applied as independent and stand-alone structural and aeroelastic design process. For a long range wide body transport aircraft configuration the design loads case are estimated after a comprehensive loads analysis campaign. For the structural design especially the structural requirements and alternative strategies to achieve sufficient control surface effectiveness within the flight envelope are investigated. In the second application cpacs-MONA is part of a gradient-free optimization task with aerodynamics and the structure to be optimized simultaneously. The presented results show that the aerodynamic optimum lead on the one hand to a heavier wing mass, but investigating the structural optimization results more closely, also local benefits of the new aerodynamic design regarding the wing structure can be found.

Ziel dieser Masterarbeit war es, das bestehende „Synthesis and Analysis of Rotors Framework“ (SARF) um Methoden zur Berechnung der instationären Rotor-Performance und des Nachlaufes zu erweitern und die gesamte implementierte Methodik zu validieren. Dazu wurden methodenunabhängige Erweiterungen, wie die Berücksichtigung gepfeilter Rotorblätter und eine beliebige, auch zyklische Blattwinkelverstellung in SARF integriert. Aufbauend auf diesem Stand wurden anschließend zwei erweiterte Methoden der instationären Rotor-Aerodynamik implementiert: Die Unsteady-Blade- Element-Momentum-Methode (UBEM) ermöglicht eine Performanceanalyse eines Rotors durch eine Profilschnitt-Repräsentation der Geometrie für variable, instationäre Anströmungsverhältnisse. Die Unsteady-Vortex-Lattice-Methode (UVLM) ermöglicht die Berechnung des Rotornachlaufs unter Berücksichtigung aerodynamisch wirksamer Objekte im Rotorumfeld - damit lassen sich die Interaktion zwischen einem Rotor und anderen Elementen eines Flugzeugs untersuchen und Konfigurationsstudien in der Vorentwurfsphase von Luftfahrzeugen durchführen. Die Ergebnisse der UBEM wurden einerseits mit dem bereits existenten Kennfeld eines Rotors einer Do-128-6 und andererseits mit den Berechnungen des Open-Source CFD-Tools SU2 verglichen und validiert. Die Ergebnisse der UVLM wurden qualitativ untersucht.

This report on "small angle neutron scattering from type II superconductors and polymers" is divided into three parts concerning (I) the technique of small angle neutron scattering (SANS), (lI) the type II superconductivity investigated by neutron diffraction from flux line lattices, and (III) the configuration of polymer molecules investigated by neutron scattering from polymer molecules which were tagged by deuteration. (I) The differential cross section of nuclear and magnetic elastic SANS is presented and discussed when specialized to the case of a two phase system. The scattered neutron intensity for a given scattering cross section and a given instrument is calculated and several parameters are varied with the purpose to maximize the scattering intensity. This optimization leads to a concept how to construct a SANS instrument. According to this concept the instrument at the FRJ-2 in Jülich was constructed as is shown in a description of that instrument. Comparing an optimized small angle neutron scattering experiment with a similar x-ray experiment having the same resolution it is demonstrated that despite the extremely small luminosity of a neutron source the scattered intensity is often even higher for neutrons than for x-rays. Further favourable properties of SANS experiments are discussed by comparing them with x-ray experiments. These properties are based on the use of long wavelength neutrons, on the irregular dependence of the nuclear scattering length on the atomic number, and on the existence of a magnetic neutron interaction. (II) For the neutron diffraction from flux lines in type II superconductors the integral reflectivity is calculated. Using experimentally determined reflectivities it is shown how to determine the phase factors in order to evaluate microscopic field distributions within a unit cell of the flux line lattice from the integrated reflectivities. Such experimentally determined microscopic field distributions in pure Nb, NbTa, Pb-Bi and NbN are compared with those calculated from various theories. This comparison shows that the agreement of the experimental results is reasonable good with Kramer and Pesch's numerical results computed from the Eilenberger equations and with Brandt's approximate solutions of the Gorkov equations. The diffraction experiments with flux line lattices yielded a large amount of information concerning the morphology of a flux line lattice with various external parameters. The morphology of vortex lattices influenced by temperature, flux density, magnetic prehistory of the superconductor, its shape, its pinning strength, transport current and the way to produce flux line lattices is reviewed. For single crystalline specimens the following phenomena were observed: The vortex lattices are single crystalline. There are correlations between crystallographic directions of the crystal and vortex lattice. The crystal symmetry of the field axis influences the symmetry of the vortex lattice. These results were obtained in Nb, PbBi, PbTl and Tc. Various experiments showed that these phenomena are hardly influenced by the parameters mentioned &bove. However, the quality of the flux line lattice is easily influenced by almost all of the parameters and thepinning has the strongest effect. The correlations are described by two different theoretical attempts based according to Takanaka on the anisotropy of the Fermi surface and according to Ullmaier on the anisotropie magnetoelastic interaction between crystal and flux line lattice. Forces exerted to flux lines can cause viscous motion of the flux lines and a bending of the vortices. Aberration occurs when a neutron beam is diffracted from a moving flux line lattice. This effect was used to determine the flux line velocity coupled with a transport current which exceeds the critical one. The bending of flux lines caused by basic interaction forces between flux lines and pinning centers was deduced from rocking curves in order to determine more directly the pinning force than is possible by any other method. (111) Various configuration models had been developed to describe the polymer configuration in the aroorphous and crystalline state. An experimental investigation of the moleeule configuration in the solid became possible by SANS from molecules which are tagged by deuteration. With this technique it was shown for amorphous polystyrene and polymethylmetacrylate that the coiling is identical to that in B-solvents as was predicted by Flory. In the investigation of partially crystallized polyethylene problems due to void scattering and clustering of the tagged moleeules had to be solved.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkung von nanostrukturierten YBa2Cu3O(7-x)(YBCO)-Filmen mit Magnetfeldern. Die Arbeit beinhaltet insbesondere die Untersuchung des Effekts auf den supraleitenden Übergang durch die Bestrahlung mit leichten Ionen, des Effekts der Defekte auf die Abhängigkeit des kritischen Stroms vom Magnetfeld und des Effekts, der durch das geordnete Defektgitter verursacht wird. In Anwesenheit eines Magnetfelds B können Typ-II-Supraleiter wie YBCO resistives Verhalten zeigen, selbst wenn sie sich im supraleitenden Zustand befinden. Der Widerstand ist eine Folge der Bewegung der Flussschläuche unter der Einwirkung der Lorentz-Kraft. Wenn Defekte in der Probe sind, können die Vortices von diesen Defekten eingefangen werden. Die Haftung der Vortices an Defekten führt zu einer reduzierten Mobilität der Vortices, was wiederum zu einem höheren kritischen Strom Ic(B) führt. Durch Bestrahlung mit leichten Ionen können sehr effektive künstliche Defekte erzeugt werden. Bei der Methode der Masked Ion Beam direct Structuring (MIBS) wird die Probe durch eine perforierte Maske zur Erzeugung eines Defektmusters bestrahlt. Wenn das Vortexgitter mit dem Defektgitter übereinstimmt, findet man ausgeprägte Maxima im kritischen Strom bei den sogenannten Resonanzfeldern. Die YBCO-Filme wurden mit der Pulsed Laser Deposition Methode auf MgO Substraten deponiert und sind 200 nm dick. Für die MIBS wurden He+ mit einer Energie von 75 keV gewählt um ein quadratisches Defektgitter in den YBCO-Filmen zu erzeugen. Der Durchmesser der Defekte ist 170 nm und der Gitterparameter a des Defektgitters beträgt 300 nm bzw. 1 µm. Die Resultate werden mit einer Referenzprobe, die sich auf demselben Substrat wie der Film mit a = 1 µm befindet, verglichen. Die Bestrahlung mit leichten Ionen verursacht sowohl eine niedrigere kritische Temperatur der Filme als auch einen breiteren supraleitenden Übergang. Wegen der größeren bestrahlten Fläche sind diese Effekte stärker ausgeprägt bei dem Film mit der höheren Dichte an Defekten. Es stellt sich heraus, dass eine Erhöhung des kritischen Stroms um 50% erreicht werden kann, wenn die Dichte der Defekte um lediglich 10% erhöht wird. Obwohl die Dichte der künstlichen Defekte im Film mit a = 1 µm viel geringer ist als die Dichte der intrinsischen Defekte, tritt in einem schmalen Temperaturbereich unterhalb der kritischen Temperatur ein kleines breites Maximum um das erste Resonanzfeld auf, während bei dem Film mit a = 300 nm ausgeprägte Peaks bis zum dritten Resonanzfeld in einem breiten Temperaturbereich beobachtet werden können. Vor der Messung wurde entweder das maximale Magnetfeld oder das Magnetfeld B = 0 eingestellt und anschließend wurde die Probe im entsprechenden Magnetfeld abgekühlt. Diese Messungen zeigen starke Hystereseffekte. Das Muster des kritischen Strom ist ungefähr um ein Resonanzfeld zu höheren Magnetfelder verschoben, wenn das Magnetfeld schrittweise verringert wird und umgekehrt. Wenn die Probe jedoch vor jedem Messpunkt über die kritische Temperatur geheizt wird und anschließend im entsprechenden Magnetfeld abgekühlt wird, verschwindet die Hysterese und die Peaks treten exakt bei den theoretisch erwarteten Resonanzfeldern auf., The aim of this thesis is the investigation of the interaction of nanostructured YBa2Cu3O(7-x) (YBCO) films with a magnetic field. In particular, the thesis deals with the effect of the irradiation with light ions on the superconducting transition, the effect of defects on the dependence of the critical current on the magnetic field and the effect of the ordered defect lattice. In the presence of a magnetic field B type-II-superconductors like YBCO can show resistive behavior even when they are in the superconducting state. The resistance follows from the motion of the vortices under the Lorentz force. If there are defects in the sample, the vortices can be trapped by these defects. The pinning of vortices at defects results in a reduced mobility of the flux lines, which in turn results in a higher critical current Ic(B). Very effective artificial defects can be created with light ion irradiation. With the masked ion beam direct structuring (MIBS) method the sample is irradiated through a perforated mask to create a pattern of defects. If the vortex lattice matches the defect lattice, pronounced peaks were found in the critical current Ic(B) at so-called matching fields . The YBCO films were deposited on MgO substrates with pulsed laser deposition and they have a thickness of 200 nm. For the MIBS He+ ions with a energy of 75 keV were chosen to produce a square lattice of defects in the YBCO films. The diameter of the defects is 170 nm and the lattice parameter a of the defect lattices is 300 nm and 1 µm, respectively. The results are compared to a reference sample, which is on the same substrate as the film with a =1 µm. The irradiation with He+ ions causes a reduction of the critical temperature of the films as well as a broadening of the superconducting transition. Due to the larger irradiated area, these effects are more pronounced for the film with a higher density of defects. It turns out that an increase of the critical currents of about 50% can be achieved by enhancing the density of defects by solely 10%. Although in the film with a =1 µm the density of the artificial defects is much smaller than the density of the intrinsic defects, in a narrow temperature range below the critical temperature a small and broad maximum at the first matching field can be observed, whereas in the film with a = 300 nm pronounced peaks up to the third matching field were observed in the critical current in a wide temperature range. Before the measurement the magnetic field was either set to zero or to the maximum field and subsequently the samples were cooled in the field. These measurements show strong hysteretic effects. The critical current pattern is shifted by about one matching field to higher fields, when the magnetic field is decreased and vice versa. However, when the sample is heated above the critical temperature and then cooled in the particular magnetic field before each measuring point, the hysteresis vanishes and the peaks appear exactly at the theoretically predicted matching fields.

Wir haben unterschiedliche, durch Versetzungen beeinflusste Flussliniengitter - die sich in Gr����e und angelegtem ��u��eren Feld unterschieden - simuliert um die Auswirkungen von Verzerrungen im Gitter auf die Versetzungen zu untersuchen. Zus��tzlich verglichen wir die Energie versetzungsbehafteter Gitter unterschiedlicher Gr����e mit ungest��rten Gittern derselben Gr����en um die Selbst- und Wechselwirkungsenergiekurven eines Versetzungspaares als Funktion des Abstandes zwischen ihnen zu ermitteln. Wir konnten zeigen, dass die Scherkraft, die ben��tigt wird um eine Versetzung entlang einer Gleitebene zu bewegen, innerhalb der durch das Peierls-Nabarro-Modell vorgegebenen Grenzen liegt, wenn wir die Erkenntnisse Brandts et. al. zur elastischen Theorie des Versetzungsgitters miteinbezogen. Die Simulationen lieferten uns auch erste Indizien daf��r, dass die Scherkraft von der Gittergr����e selbst unabh��ngig ist. Ausgehend von den Ergebnissen der Scherkraftrechung konnten wir eine Absch��tzung f��r den Radius des von den Versetzungen direkt beeinflussten Gebietes treffen. In dem wir regelm����ige mit versetzungsbehafteten Gittern verglichen - und dabei den Abstand zwischen den Versetzungen erh��hten - konnten wir die Gesamtenergiekurve eines Versetzungspaares simulieren. Dabei mussten wir nicht nur die Dynamik des Gitters selbst sondern auch die Effekte der periodischen Randbedingungen ber��cksichtigen. Unter Verwendung der Resultate der Scherkraftrechnungen konnten wir erste Absch��tzungen des Verh��ltnisses von Selbst- und Verzerrungsenergie zur Wechselwirkungsenergie und von Selbst- und Verzerrungsenergie untereinander vornehmen., We simulated various geometries of perturbed vortex lattices - differing in size and external magnetic field - in order to study the affect of shear stress on dislocations in the flux-line-lattice. In addition to that we compared the energy of perturbed and unperturbed lattices in varying sizes to determine the self- and interaction energy of a given dislocation pair as a function of the distance between them. We found that the shear force needed to move a dislocation along a slip plain lies well within the boundaries predicted by the established Peierls-Nabarro-model if we incorporate the findings of Brandt et. al. concerning the elastic theory of the vortex lattice. Furthermore we were able to collect first evidence that the required shear force is independent of lattice size. Starting from the obtained shear force thresholds at a number of different external magnetic field strengths we found estimates for the size of the lattice area directly deformed by the dislocations. By comparing perturbed disturbed and unperturbed lattices of increasing size but at constant magnetic field we were able to determine the total energy curve of a dislocation pair. We had to consider the effect of the periodic boundary conditions of our simulations as well as the behavior of the dislocations themselves. Using the results found during the shear force simulations we could make a first estimate of the ratio of self- and dislocation energy to interaction energy as well as of the ratio of self- to dislocation energy.

In der vorliegenden Arbeit wurden quantisierte Flusswirbel (Vortices) in Supraleitern untersucht, wobei diese Flusswirbel mit Hilfe von Nanostrukturen gezielt in ihren statischen und dynamischen Eigenschaften manipuliert und kontrolliert werden sollten. Durch das Einbringen von künstlichen Haftzentren (Pinningzentren) in Form von (sub-)Mikrolöchern (Antidots) ist es möglich die Bewegung von Abrikosov-Flusswirbeln zu verhindern bzw. zu kontrollieren und somit insbesondere den maximalen (kritischen) Suprastrom zu erhöhen. Hierbei hat die Anordnung der Antidots beträchtliche Auswirkungen auf den Magnetfeldbereich, in welchem der kritische Strom des Supraleiters eine Erhöhung zeigt. Ein aktuelles Forschungsgebiet im Bereich der Supraleitung beschäftigt sich mit der (anwendungsorientierten) Fragestellung der optimalen Anordnung von Pinningzentren. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode zur Herstellung von Nb-Filmen mit Antidots entwickelt. Die Kombination von Elektronenstrahllithographie und Lift-Off Prozess erlaubte die Variation der Geometrie und der Anordnung der Antidots im Submikrometerbereich. Es wurden Nb-Filme ohne Antidots, Filme mit zufällig verteilten Antidots und Filme mit periodischen, bzw. zufällig verdünnten periodischen und quasiperiodischen Antidots (Antidot-Arrays) untersucht. Wesentliche Verbesserungen an dem (selbst aufgebauten) Messsystem ermöglichten die Durchführung der in dieser Arbeit vorgestellten elektrischen Transportmessungen. Messungen des kritischen Stroms in Abhängigkeit des angelegten Magnetfeldes an Nb-Filmen mit Arrays aus kreisrunden Antidots zeigten ausgeprägte Kommensurabilitätseffekte (Matchingeffekte) des Vortexgitters mit den Antidot-Arrays nahe der kritischen Temperatur. In Messungen an quasiperiodischen 5-faltigen Penrose-Antidot-Arrays konnten erstmals Matchingeffekte und damit die Ausbildung eines quasiperiodischen Vortexgitters nachgewiesen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass - unterhalb des ersten Matchingfeldes (dort ist die Vortex-Dichte gleich der Antidot-Dichte) - in quasiperiodischen Arrays höhere kritische Strömen erzielt werden können als in vergleichbaren periodischen Arrays oder in Proben mit zufällig verteilten Antidots, was auf die Selbstähnlichkeit quasiperiodischer Strukturen zurückzuführen ist. Für Magnetfelder oberhalb des ersten Matchingfeldes empfehlen sich dagegen zufällig ausgedünnte periodische Pinninggitter. Bei gleicher Dichte von Pinningzentren erlaubt diese Anordnung im Vergleich zu zufällig verteilten oder periodischen Pinninggittern eine besonders effektive Reduktion der Dissipation bewegter Flusslinien. Dies geschieht durch gezielte Unterdrückung von „Channeling“ interstitieller Vortices. Das Einbringen von dreieckigen Antidots in einem periodischen Gitter ermöglichte die experimentelle Realisierung einer Abrikosov-Vortex-Ratsche. Die Visualierung der Vortexverteilung in Supraleitern mit Antidots durch magnetooptische Abbildung und Bitterdekoration ermöglichte ein detaillierteres Verständnis der experimentellen Befunde von Transportmessungen. In Bitterdekorationen wurde der Einfluss der Antidotdichte und -größe auf das Auftreten und die Form von Flusslawinen untersucht. Durch gezieltes Einbringen von Antidots erscheint es möglich die Form von Flusslawinen zu kontrollieren. Die Methode zur Strukturierung von Nb-Filmen wurde auf die Herstellung von so genannten Atom-Chips übertragen. Diese Mikrochips enthalten normal- oder supraleitende Strukturen zur Erzeugung magnetischer Potenziale für Bose-Einstein Kondensate von Atomen. Mit mäanderförmigen Stromleitern wurde es erstmals ermöglicht ein Beugungsexperiment mit einem Bose-Einstein-Kondensat von Atomen an einem magnetischen Gitter, erzeugt durch einen Mikrochip, durchzuführen. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung von SIFS-Josephsonkontakten, welche je nach ferromagnetischer Schichtdicke dF und Temperatur in 0- oder Pi-Kopplung vorliegen können. Bei einem Kontakt geeigneter Dicke war es möglich einen temperaturgesteuerten 0-Pi Übergang nachzuweisen. Neben der Charakterisierung dieser neuartigen Kontakte erfolgte die Suche nach einer möglichen sin(2Phi)-Komponente in der Strom-Phasenbeziehung. Durch eine Stufe in der ferromagnetischen Schicht entsteht ein 0-Pi-Kontakt, in welchem sich ein an der Stufe gepinnter, fraktionaler Vortex befindet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der erste per Design gewollte, gestufte 0-Pi-Kontakt mit zwei unterschiedlichen ferromagnetischen Dicken untersucht. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des gestuften Kontakts zeigten wesentliche Unterschiede im Vergleich zu zwei Referenzkontakten ohne 0-Pi-Diskontinuität. Beispielsweise konnten erstmals halbzahlige Nullfeldstufen in gestuften SIFS-Kontakten nachgewiesen werden. In this thesis flux quanta (vortices) in superconductors were investigated. The aim was to manipulate and control the static and dynamic properties of the vortices by nanostructures. The placement of artificial pinning sites in form of submicron holes (antidots) allows to suppress or control the motion of Abrikosov vortices. This leads to an enhancement of the maximum (critical) supercurrent. The arrangement of antidots strongly affects the magnetic field range, at which the supercurrent is enhanced. An active field of research in superconductivity deals with the (technical) question of the optimal arrangement of pinning sites. Within this thesis a fabrication technique for Nb films with antidots was developed. The combination of e-beam lithography and lift-off allowed to vary the arrangement and the shape of antidots on a submicron scale. Nb thin films that contain no antidots, randomly distributed antidots, periodic arrays of antidots, and randomly diluted periodic or quasiperiodic arrangements of antidots were investigated. Improvements on the (self made) measurement setup allowed the transport measurements that are presented within this thesis. Measurements of the critical current vs. the magnetic flux density on samples with circular antidots showed pronounced commensurability (matching) effects close to the transition temperature when the flux line lattice is commensurate with the antidot lattice. Measurements on 5-fold Penrose arrays of antidots revealed matching effects for the first time, which provided the evidence of a quasiperiodic vortex lattice. Furthermore it was possible to demonstrate that below the first matching field (vortex density equals antidot density) a quasiperiodic array shows an enhanced critical current in comparison to periodic or randomly distributed arrangements of antidots. This can be ascribed to the self-similarity of the quasiperiodic lattice. For magnetic fields larger than the first matching field randomly diluted periodic pinning arrays can be recommended. With the same antidot density the dissipation due to the motion of flux quanta can be reduced in comparison to randomly distributed or periodic arrangements of pinning sites. This effect is due to the suppression of “channelling” of interstitial vortices. The placement of antidots with a triangular shape allowed the realization of an Abrikosov-vortex ratchet. The visualization of the vortex distribution by magneto-optical imaging and bitter decoration technique provided an improved understanding of the data obtained from transport measurements. Using Bitter decoration the dependence of the formation of flux avalanches on the size, density and/or arrangements of antidots was studied. With well placed antidots it seems to be possible to control the formation of flux avalanches. The fabrication technique for Nb-films was adapted to the fabrication of so-called Atom-chips. These microchips contain normal- or superconducting structures in order to create magnetic potentials for a Bose-Einstein condensate of atoms. Meander line conductor paths enabled the first diffraction experiment of a Bose-Einstein condensate of atoms on a magnetic lattice on a microchip. In addition SIFS-Josephson junctions were investigated. Depending on the thickness dF of the ferromagnetic interlayer and on the temperature, the phase difference can be 0 or Pi. Using a Josephson junction with suitable thickness a 0-Pi transition was found by varying the temperature. Besides the characterization of this new kind of Josephson junctions, the search for a possible sin(2Phi)-component in the current-phase relation was performed. A step in the ferromagnetic interlayer produces a 0-Pi-Josephson junction, with a fractional vortex pinned at the step. Within this work the first intentionally fabricated 0-Pi-Josephson junction with two different ferromagnetic thicknesses was investigated. The static and dynamic properties revealed a major difference in comparison to two reference junctions without 0-Pi discontinuity. For instance it was possible to find semi integer zero-field steps in stepped SIFS-junctions for the first time.

Very small pinning centers in superconducting thin films were produced applying a patterning technique based on self-organization of salt-loaded spherical micelles made of diblock copolymers. In a subsequent plasma treatment, the polymer matrix is removed completely, while the metal salts are reduced to metallic nanoparticles used as etching mask to transfer the resulting pattern into silicon substrates. The pinning sites produced by growth of a niobium thin film on top of such substrates are much smaller than those produced by conventional methods like optical, electron-beam or focused ion beam lithography. To the best of our knowledge, this method delivers the smallest periodic artificial pinning centers studied yet. Due to their nanoscaled size, the artificial pinning sites guarantee single-vortex pinning even at temperatures well below the critical temperature. This is shown by the fact that Little-Parks oscillations can be observed only up to the first matching field, where each of the pinning sites contains one vortex, and not up to higher orders as observed for wire networks or perforated films with larger holes. Several samples containing such artificial pinning centers were characterized using a SQUID-magnetometer to obtain their magnetic moment, by high resolution electron microscopy and by transport measurements at low temperature. Although the order of the resulting artificial pinning centers is not perfect, pronounced integer and fractional matching features induced by commensurability effects when the vortex lattice matches the lattice of artificial pinning sites are observed within a wide temperature range. Experimental data of a niobium layer on top of silicon nanopillars shows an unexpected temperature dependence of matching features at the first matching field. This effect can be understood by applying a modified concept of collective pinning in a triangular array with non-perfect order.