MATERIALES SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA CRÍTICA:

SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA CRÍTICA:

DE LA PELÍCULA DELGADA AL DISPOSITIVO

María Ángeles Navacerrada Saturio

Prof. Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas

CES Felipe II, C/ Capitán 39, 28300 Aranjuez (Madrid)

Resumen

El siguiente artículo se centra en el superconductor de alta temperatura crítica YBa2Cu3O7 , superconductor más estudiado desde que se descubrió el primero de estos materiales en 1911. A pesar de su complejidad estructural, se presenta el sistema de crecimiento de pulverización catódica como una técnica que permite la fabricación de películas delgadas de este material con una alta calidad cristalina. Se muestran medidas experimentales realizadas en el grupo de Películas Delgadas y Microelectrónica de la Universidad Complutense sobre películas delgadas y uniones Josephson de frontera de grano basadas en YBa2Cu3O7 que corroboran la viabilidad de la técnica de crecimiento. Se cierra el artículo con un ejemplo de dispositivo fabricado con este material, el SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Este dispositivo es un sensor de campos magnéticos muy débiles con interesantes aplicaciones en medicina y análisis de materiales.

Palabras clave: Superconductividad, películas delgadas, efecto Josephson, SQUID.

1. Introducción

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911 por Kamerlingh Onnes. Onnes y sus estudiantes observaron cómo en varios metales la resistencia eléctrica se hacía cero cuando eran enfriados por debajo de una cierta temperatura llamada temperatura crítica (TC). En este sentido, “conducción sin resistencia de una corriente eléctrica” es la característica más utilizada para describir un material superconductor. No obstante, los materiales superconductores presentan otras muchas e interesantes propiedades. Entre ellas, el “diamagnetismo perfecto o efecto Meissner” consistente en la expulsión completa de las líneas de campo magnético por el material. Es decir, si un superconductor se refrigera por debajo de su TC en el seno de un campo magnético, el campo rodea al superconductor, pero no penetra en él.1

Desde el principio, la superconductividad ha sido un fenómeno con grandes posibilidades. Sin embargo, el principal inconveniente que siempre han presentado estos materiales es tener que enfriarlos a temperaturas muy bajas, por debajo de su TC para que presenten las propiedades descritas. Por ello, a raíz del descubrimiento de Onnes, la superconductividad provoca que muchos laboratorios y empresas tecnológicas en todo el mundo empiecen a estudiar el fenómeno tanto desde un punto de vista teórico como experimental o técnico. Mientras los físicos teóricos se afanaban en elaborar diferentes teorías que pudieran describir microscópica y fenomenológicamente el comportamiento de estos materiales, experimentalmente se mezclaban los elementos de la tabla periódica intentando conseguir un material que presentase este comportamiento a temperaturas próximas a la temperatura ambiente. Onnes observó el fenómeno por primera vez en Hg a una temperatura de 4.2 K (esto es, –268.8 º C) y no es hasta 1973 que se descubre el Nb3Ge, material que se hace superconductor por debajo de 23 K (-250 º C). En 1987 se descubre un compuesto que presenta propiedades superconductoras por debajo de 92 K, el YBa2Cu3O7 (YBCO).2 Este descubrimiento causó un gran impacto por ser el primer material con una TC por encima de la temperatura de la del nitrógeno líquido (77 K). Durante algunos años la TC más alta medida ha sido de 125 K, en el compuesto Tl2Ba2Ca2Cu3O10,3 pero en 1993 se descubre que el compuesto HgBa2Ca2Cu3O8+x se convierte en superconductor por debajo de 130 K.4 Para referirse a estos superconductores cuya TC está por encima de la del nitrógeno líquido se habla de superconductores de alta temperatura crítica.

Muchos experimentos sin éxito se han llevado a cabo con distintos compuestos y aleaciones de modo que en los últimos años se ha abandonado la carrera por conseguir temperaturas críticas cada vez más elevadas. Las investigaciones se centran ahora en entender las propiedades de los materiales superconductores ya conocidos y se opta por mejorar los sistemas de refrigeración empleados para enfriarlos. Entre todos ellos, el material superconductor más extensamente estudiado desde su descubrimiento ha sido y es el YBCO: por tener una TC por encima de la temperatura del nitrógeno líquido y porque se pueden fabricar muestras de dicho material de buena calidad cristalina. Fabricar materiales superconductores de alta TC de buena calidad cristalina no es una tarea fácil ya que la mayoría de ellos están compuestos al menos de cuatro elementos. A esto se añaden dos inconvenientes más, para muchas de sus aplicaciones necesitan ser fabricados en la geometría de película delgada y la mayoría de ellos contienen oxígeno, lo que complica el uso de los sistemas convencionales de fabricación de materiales. En la geometría de película delgada el material se deposita sobre un substrato monocristalino en espesores que oscilan entre los cientos y los miles de angstroms. Por todo ello, en los últimos años las tecnologías de crecimiento de películas delgadas se han centrado en la fabricación de muestras de alta calidad del material superconductor YBCO.

2. Técnica de pulverización catódica para la producción de materiales superconductores

Entre las técnicas usadas para la producción de películas delgadas de YBCO se encuentra la técnica de pulverización catódica. En el proceso de pulverización catódica el material en forma cerámica (blanco) y el substrato donde se va a depositar la película delgada del material superconductor, se disponen dentro de una cámara en la que, hecho previamente vacío, se introduce un gas noble. El gas es ionizado dentro de la cámara mediante un campo eléctrico aplicado entre el blanco (cátodo) y el porta - substratos. Los iones así generados son acelerados hacia el blanco arrancando en su choque con éste átomos del material que van a depositarse sobre el substrato monocristalino. Durante el proceso de crecimiento la temperatura del substrato se mantiene alta para garantizar la correcta colocación sobre el mismo de las especies extraídas del blanco y por tanto, el adecuado crecimiento cristalino del material sobre el mismo. En resumen, se distinguen tres etapas en el proceso de pulverización catódica: extracción de las especies del blanco por el gas ionizado, transporte desde el blanco hasta el substrato y condensación en el substrato. Normalmente, el comportamiento de los diferentes elementos del compuesto es distinto en cada una de las etapas lo que hace el proceso muy complicado. Además, a todo esto se añade que el proceso de pulverización depende de un elevado número de parámetros (tensión aplicada en el blanco, presión del gas dentro de la cámara...) que no son independientes. Todo esto hace que el proceso de pulverización catódica sea difícil de controlar. De hecho, sólo análisis “in – situ” durante el proceso de crecimiento de las especies presentes dentro de la cámara han permitido explicar las irreproducibilidades observadas en algunas propiedades físicas de las películas delgadas fabricadas utilizando esta técnica y corregir sus causas.

El crecimiento de YBCO utilizando la técnica de pulverización catódica se ha venido realizando en condiciones reactivas, en las que junto al gas noble de la descarga se introduce oxígeno para garantizar una buena oxigenación de las películas. La complicación técnica que se presenta reside en combinar esta atmósfera oxidante con una alta temperatura del substrato, en torno a los 900 º C nominales, que garantice el crecimiento cristalino de la película. Otra dificultad añadida son los conocidos efectos de repulverización originados, entre otros factores, por la formación y posterior aceleración de iones negativos desde el blanco hasta el substrato, que alteran dramáticamente el proceso de crecimiento de la película, su composición y estructura. En particular esta última característica ha llevado a modificar la geometría convencional de la técnica de pulverización donde blanco y substrato se enfrentan paralelamente y desarrollar una serie de variantes, los métodos llamados “fuera del eje”, en los que el substrato nunca queda encarado al blanco.5

En el grupo de Películas Delgadas y Microelectrónica del Departamento de Física Aplicada III de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid las muestras superconductoras se fabrican utilizando un sistema de pulverización catódica específicamente desarrollado para el crecimiento de óxidos superconductores como el YBCO. Las reducidas dimensiones de la cámara, el margen de presiones de trabajo y el gas de pulverización son las modificaciones fundamentales de este sistema frente a un sistema de pulverización convencional. No obstante, como en cualquier sistema de pulverización catódica, el proceso está controlado por los siguientes parámetros: potencia aplicada al blanco, presión en la atmósfera de la descarga, distancia blanco – substrato y temperatura del substrato. La elección de las condiciones óptimas de crecimiento pasa por el estudio de la influencia de estos cuatro parámetros en la calidad de las películas obtenidas.6 Sin embargo, el margen de variación de estos parámetros es bastante amplio por lo que es de esperar que existan diferentes condiciones en diferentes márgenes de trabajo de los mismos que garanticen un crecimiento igualmente óptimo del material. Elegidas unas determinadas condiciones de trabajo, la calidad de las películas de YBCO fabricadas puede extraerse de distintos tipos de medidas experimentales, por ejemplo medidas de rayos X y medidas de resistencia eléctrica en función de la temperatura.

Figura 1. (a) Diagrama de rayos X en la geometría ( - 2( y (b) medida de la resistividad eléctrica en función de la temperatura para una película de YBCO crecida mediante la técnica de pulverización catódica.

En la Figura 1 se muestra un diagrama de rayos X y la curva de resistividad eléctrica para una película delgada de YBCO fabricada utilizando esta técnica. La técnica de rayos X permite distintos tipos de análisis de los que se extrae información acerca de la calidad estructural de la película y de la disposición atómica en su interior ya que, en esencia, los diagramas se generan recogiendo los rayos X dispersados por el conjunto de átomos que componen el material. En particular, el ejemplo de diagrama de la Figura 1(a) proporciona información sobre la orientaciones cristalográficas presentes en la muestra fabricada, y por tanto, del grado de alineamiento o paralelismo de los planos cristalinos a lo largo del espesor de la película. Una única orientación y un completo alineamiento de los planos cristalográficos es lo deseado en la fabricación de películas delgadas. En el diagrama de la figura solo se observen picos indexados de la forma (00l) lo que apunta a una única orientación y por tanto, a una alta calidad de las muestras fabricadas. En la medida de resistividad puede observarse la temperatura a la que la resistencia se hace cero, ese punto marca la TC del material. Si la calidad de la muestra fabricada es buena dicha temperatura debe oscilar entre los 90 y 92 K. Estas medidas sirven como ejemplo para mostrar la adecuación del sistema pulverización catódica utilizado para el crecimiento de óxidos superconductores como YBCO.7

3. Uniones Josephson de frontera de grano basadas en el superconductor YBCO

Paralelamente al desarrollo y mejora de las técnicas de fabricación de materiales superconductores, en los últimos años se han ido descubriendo nuevas estructuras basadas en dichos materiales que presentan propiedades físicas de gran interés desde del punto de vista de las aplicaciones de los superconductores y por tanto, del desarrollo de una electrónica superconductora. En 1962, B. Josephson trabajando en su tesis doctoral en el Royal Society Mond Laboratory de Cambridge predice que a través de una unión constituida por dos superconductores separados por una barrera aislante, lo que se llamaría unión Josephson, también debe circular una corriente en ausencia de resistencia eléctrica.8 Estos resultados fueron confirmados experimentalmente en 1963 por P. W. Anderson y J. M. Rowell constituyendo las uniones Josephson a partir de ese momento la base de las aplicaciones de la superconductividad.9 No obstante, el eventual desarrollo de una electrónica basada en estos materiales necesita de una tecnología que garantice la fabricación de uniones Josephson de una manera reproducible y que este proceso se pueda llevar a cabo de una forma rápida. En este sentido se entiende ahora la importancia del esfuerzo realizado para la adecuación de los sistemas de crecimiento como el de pulverización catódica para la fabricación de materiales superconductores de alta calidad.

Aunque en las primeras uniones Josephson fabricadas, la barrera de separación entre los dos superconductores la constituía un material aislante, las mismas propiedades físicas fueron observadas cuando en la estructura de la unión la barrera era fabricada con un semiconductor, un metal, una aleación u otro superconductor de propiedades superconductoras empobrecidas. En la Figura 2 se muestra el esquema de una unión Josephson. En él se ha marcado la anchura de la barrera (t) y la dirección en la que fluiría la corriente (I) sin resistencia eléctrica. En las uniones Josephson la anchura de la barrera que separa los superconductores viene fijada por las características conductoras o eléctricas del material que la constituye, pudiendo ser tanto más ancha cuanto mejor sean las propiedades de conducción de dicho material. A la corriente superconductora, esto es sin resistencia eléctrica, máxima circulando a través de la barrera de un superconductor a otro se le llama “corriente crítica o corriente Josephson dc”. Se representa por IC y su valor está modulado por un campo magnético aplicado perpendicular a la dirección en la que fluye. Dicha modulación toma la forma de un patrón de difracción de Fraunhofer y se observa para campos incluso menores que el campo magnético terrestre (0.55 gauss). Este efecto de las uniones Josephson constituye la base del funcionamiento de los sensores de campo magnético o SQUIDs que es el acrónimo de Superconducting Quantum Interference Devices (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) con interesantes aplicaciones en campos como la medicina, la geofísica y la evaluación no destructiva de materiales.10

10

20

30

40

50

60

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

(a)

(006)

(005)+substrato

(005)

(004)

(003)+substrato

(002)

(001)

Intensidad (u.a.)

2

q

0

50

100

150

200

250

300

0

5

10

15

20

25

30

35

(b)

r

(

W

)

T(K)

10

20

30

40

50

60

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

(a)

(006)

(005)+substrato

(005)

(004)

(003)+substrato

(002)

(001)

Intensidad (u.a.)

2

q

0

50

100

150

200

250

300

0

5

10

15

20

25

30

35

(b)

r

(

W

)

T(K)

Figura 2. Esquema de una unión Josephoson en el que se indican la anchura de la barrera (t), la anchura de la unión (w) y el sentido de la corriente (I) a través de la barrera.

3.1. Fabricación de uniones Josephson de frontera de grano: substratos bicristalinos

Dada la importancia de las uniones Josephson tanto para el avance de la investigación en física básica como para el desarrollo de aplicaciones se encuentran en la literatura multitud de trabajos sobre fabricación de uniones usando diversas técnicas y tipos de barreras. Por su calidad, alto grado de reproducibilidad en comparación con otras técnicas y por su simplicidad tecnológica el crecimiento de películas delgadas de YBCO sobre substratos bicristalinos ha sido el método más extendido para la fabricación de uniones Josephson.

Un substrato bicristalino o bicristal está constituido por dos substratos monocristalinos que han sido cortados de manera que los planos cristalinos en los que se disponen los átomos en el material tienen una orientación diferente en cada uno de ellos. Una vez que han sido pulidos se unen de nuevo formándose en la interfase entre ambos lo que se llama frontera de grano. En un sólido cristalino los átomos se disponen de una manera regular y periódica en tres dimensiones, este orden se pierde en la frontera de grano por tener que acoplarse planos con distinta orientación cristalina. Los átomos próximos a la intercara de unión entre los substratos monocristalinos se ven forzados a ocupar posiciones que no les corresponderían y se crea una región defectuosa, frontera de grano, a lo largo de toda la interfase entre ambos substratos. Un esquema de un substrato bicristalino se presenta en la Figura 3. La frontera de grano se reproduce en la película de YBCO depositada sobre el substrato bicristalino. En una región de pocos nanómetros en torno a la frontera de grano el material sufre una distorsión en su estructura cristalina que provoca la pérdida de sus propiedades superconductoras. Esta región constituye entonces la barrera de la unión Josephson de frontera de grano de espesor t separando dos regiones situadas a cada lado de la misma donde el material sí que conserva sus propiedades superconductoras (ver Figura 2). El siguiente paso para que la unión quede totalmente definida es marcar un micropuente o estrechamiento transversal a la barrera uniendo las dos regiones superconductoras y que va a marcar la anchura de la unión (en la Figura 2 se denota con w). El objetivo es limitar la corriente que puede circular a través de ella para la posterior caracterización eléctrica en el laboratorio. El micropuente se define mediante la técnica de fotolitografía. Esta técnica se emplea para el diseño de circuitos integrados y consiste en una serie de pasos tecnológicos ordenados para la transferencia de un diseño gráfico sobre una película delgada u oblea.

t

t

I

I

w

w

Figura 3. Esquema de substrato bicristalino. Figura tomada de D. Dimos et al., Phys. Rev. Lett. 61(1988), 219.

3. 2. Medida de la dependencia de la corriente Josephson dc o corriente crítica con el campo magnético: curva IC(B)

Definida la unión en la película de YBCO depositada sobre el substrato bicristalino mediante la técnica de fotolitografía, para la medida de la dependencia de IC con el campo magnético (curva IC(B)) se requiere de un sistema para el enfriamiento de la muestra por debajo de 90 K y de un correcto apantallamiento de cualquier campo magnético externo. En el grupo de Películas Delgadas y Microelectrónica el sistema utilizado para el enfriamiento de la muestra es un criostato comercial de ciclo cerrado de helio que permite alcanzar temperaturas de hasta 15 K. Dentro del criostato está el llamado dedo frío, aislado del exterior por una pantalla de radiación para un buen apantallamiento térmico y un funcionamiento más efectivo del equipo. Dentro del criostato la muestra se coloca sobre una base o plataforma en el extremo superior del dedo frío. Entre ambos, muestra y base, se extiende una capa de una sustancia llamada apiezón para asegurar un buen contacto térmico entre ambos y por tanto, el correcto enfriamiento de la muestra.

En el interior del criostato y perpendicularmente al plano de la muestra se coloca una bobina consistente en un arrollamiento de hilo de cobre sobre un cilindro de teflón. Una fuente externa inyecta una corriente a través del hilo de cobre, y para un cierto valor de la corriente el campo que crean las bobinas viene fijado por la expresión

(

)

(

)

ú

ú

û

ù

ê

ê

ë

é

+

+

+

+

=

2

2

2

2

0

2

2

a

z

a

a

L

z

a

L

NI

z

B

m

siendo N el número de vueltas de la bobina, a y L el radio y longitud de la bobina respectivamente y z la distancia entre la muestra y el extremo inferior de la bobina. Para observar la curva de modulación de IC, el rango del campo magnético aplicado oscila entre varios gauss y varias decenas de gauss dependiendo de la anchura de la unión. En este sentido, para una medida experimental correcta de la influencia del campo magnético el único campo actuando sobre la muestra debe ser el creado por las bobinas, de manera que es necesario un correcto apantallamiento de cualquier otro campo externo. Para ello, lo más habitual es rodear el sistema de medida con pantallas cilíndricas fabricadas con aleaciones metálicas, aleaciones que tienen la propiedad de atrapar las líneas de campo en su superficie. Para referirse a la capacidad de apantallamiento de este tipo de sistemas se habla del factor de atenuación A que se define como el cociente entre el campo magnético externo que existe en una determinada región antes y después de colocar el apantallamiento. El valor del factor A, y por tanto la eficacia del apantallamineto, viene fijado principalmente por la geometría del sistema (diámetro de la pantalla, espesor del material utilizado para su fabricación...), intensidad del campo magnético que hay que apantallar y temperatura de trabajo. La atenuación de un apatantallamiento es mayor para diámetros pequeños y temperaturas altas. En el sistema experimental utilizado en el grupo de Películas Delgadas y Microelectrónica con el objetivo de reducir el diámetro de las pantallas utilizadas se ha optado por colocarlas en el interior del criostato apantallando sólo la muestra y no todo el sistema de medida. De este modo se consigue también atenuar el campo magnético creado por el propio criostato (cables, compresor...). No obstante, el inconveniente que presenta este montaje es que la pantalla también se enfría por lo que son dos las pantallas cilíndricas y coaxiales las que se colocan cubriendo y rodeando la pantalla de radiación del dedo frío. En este caso, la atenuación total del sistema se calcula como el producto de los factores de atenuación de cada una de las pantallas individuales:

2

1

A

A

A

´

=

.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0

50

100

150

200

250

300

350

I(

m

A)

V(mV)

Figura 4. Característica I – V de una unión Josephson de YBCO medida experimentalmente.

A partir de aquí la rutina de trabajo para determinar la curva IC(B) es la siguiente: se hace pasar una corriente a través de las bobinas para fijar el campo magnético aplicado sobre la muestra y se inyecta a través del micropuente definido en la muestra una corriente creciente usando una fuente externa. Para cada valor de la corriente inyectada a través de la muestra se mide la diferencia de potencial a través de la misma. El valor de la corriente circulando a través del micropuente en cada instante y la diferencia de potencial se componen generando la curva característica corriente – tensión (I – V) de la muestra para ese valor de campo magnético y se visualiza en la pantalla de un osciloscopio. Desde el osciloscopio la medida se traslada a un ordenador para su posterior análisis y manipulación. En la Figura 4 se muestra un ejemplo de característica I - V de una unión Josephson de frontera de grano de YBCO fabricada en el grupo de Películas delgadas y Microelectrónica. En la gráfica se observa cómo hasta un determinado valor de la corriente inyectada a través del micropuente la tensión medida es nula, por tanto la resistencia eléctrica. Por encima de un determinado valor de corriente, esto es, por encima de IC se mide una tensión. También se añade en la gráfica el ajuste teórico de la medida experimental al modelo llamado RSJ, acrónimo de Resistively Shunted Junction Model.11

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-120

-80

-40

0

40

80

120

I

C

(

m

A)

B(G)

Figura 5. Ejemplo de curva IC(B) de unión Josephson de YBCO medida experimentalmente

El valor de IC varía dependiendo del campo magnético aplicado. Por tanto, fijada la temperatura de la muestra con el criostato, se mide un conjunto de características I - V variando la corriente que atraviesa las bobinas. La curva IC(B) se genera tomando como valor de IC en cada característica I – V el punto final del tramo vertical. En la Figura 5 se representa la curva IC(B) de una unión Josephson de YBCO fabricada sobre substrato bicristalino y medida utilizando el método descrito. En trazo continuo se ha dibujado la curva teórica

(

)

pf

pf

sen

o patrón de difracción de Fraunhofer. En este ejemplo la curva experimental se ajusta al modelo teórico razonablemente. Sin embargo, dada la complejidad estructural de la frontera de grano de las uniones Josephson de frontera de grano, no es habitual conseguir ajustar las medidas experimentales (I –V, IC(B)...) a los modelos teóricos conocidos como se muestra en las Figuras 4 y 5.

4. Superconducting Quantum Interference Devices: SQUIDs

Aunque la superconductividad engloba muchos aspectos, el auténtico impacto es el causado por las aplicaciones prácticas. La mayoría de las aplicaciones se encuentran en los campos de la ciencia y la medicina estando basadas casi todas ellas en la propiedades de variación de IC con señales magnéticas muy débiles (Figura 5). Así se están fabricando y mejorando los dispositivos SQUIDs dc consistentes en dos uniones Josephson acopladas formando un anillo, en paralelo, tal y como puede apreciarse en el esquema de la Figura 6.

Figura 6. SQUID dc. Cada una de las dos uniones está representada por su modelo circuital RSJ. Figura tomada de la referencia 10.

Cuando un SQUID dc se sitúa en un campo magnético y se inyecta una corriente IB (mayor que IC)) a través de él como se indica en la Figura 6, la tensión V que se genera oscila según la intensidad del flujo magnético, ( , definido como el producto del campo magnético por el área del anillo que une las dos uniones Josephson. En la Figura 7(a) puede verse por medio de las características I - V del SQUID el cambio en el valor de la tensión que se registra para dos valores diferentes de flujo magnético a través del anillo del dispositivo. Si para un valor fijo de IB se van registrando los valores de tensión en función del flujo magnético ( se obtiene la curva de la Figura 7(b). Según esta curva, el SQUID transforma señales magnéticas muy pequeñas directamente en señales eléctricas cuyo registro se lleva a cabo con una electrónica común, siendo el SQUID el dispositivo más sensible que se conoce para medir campos magnéticos.

Figura 7. (a) Características I –V para dos valores distintos de flujo magnéticos a través del anillo del SQUID. (b) Tensión de salida de un SQUID dc frente a ( para un valor de corriente constante. Figuras tomadas de la referencia 10.

No obstante, para un correcto funcionamiento de un SQUID, por tanto una alta sensibilidad magnética y bajo ruido del dispositivo es importante garantizar la calidad de las uniones Josephson que lo constituyen. Entre los métodos descritos para la fabricación de uniones Josephson, y por tanto SQUIDs el más comúnmente usado en la literatura por el bajo nivel de ruido es de nuevo, el crecimiento de películas delgadas de YBCO sobre substratos bicristalinos. Para la fabricación de un SQUID sobre un substrato bicristalino sobre el que se ha depositado una película de YBCO se requiere de un diseño gráfico que engloba las dos uniones definidas mediante micropuentes y conectadas en paralelo y normalmente un transformador de flujo para conseguir una mayor sensibilidad magnética del dispositivo. En este diseño, la geometría no es arbitraria sino que debe elegirse cuidadosamente para un funcionamiento óptimo del mismo. Dicho diseño, se transfiere de nuevo a la película de YBCO depositada sobre el substrato mediante la técnica de fotolitografía. En el grupo de Películas delgadas y Microelectrónica se han fabricado SQUIDs sobre películas delgadas de YBCO depositadas sobre substratos bicristalinos mediante la técnica de pulverización catódica anteriormente descrita.12 En la Figura 8 se ha representado gráficamente, para distintos valores de la corriente IB inyectada en el dispositivo, las curvas de modulación de la tensión con el flujo magnético medidas experimentalmente para uno de los dispositivos fabricados.

61

m

A

59

m

A

57

m

A

55

m

A

53

m

A

51

m

A

49

m

A

V (a.u.)

F

Figura 8. Ejemplos de curvas de modulación para distintos valores de IB para un SQUID fabricado con uniones Josephson de YBCO sobre substrato bicristalino. Figura tomada de la referencia 12.

Estos dispositivos se utilizan por ejemplo, en prospecciones. Con un SQUID se pueden medir las propiedades de las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la Tierra, que es continuamente bombardeada por ondas de este tipo procedentes de las perturbaciones solares. Las características de las ondas reflejadas dependen de las propiedades del material que se encuentran bajo la superficie. Las medidas aportadas por los SQUIDs pueden dar información sobre materiales que en encuentran a una profundidad de hasta 10 Km. La señal magnética reflejada es tan débil que se necesita un SQUID para poder detectarla. Gracias a su alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos, los SQUIDs se emplean a menudo para registrar las señales electromagnéticas generadas por el cerebro. Los SQUIDs permiten a los médicos hacer magnetoencefalogramas. Estos dispositivos pueden emplearse también para hacer magnetocardiogramas, basados en los campos magnéticos generados por las corrientes eléctricas del corazón. Debido a la alta sensibilidad de los SQUIDs, las medidas deben hacerse en una cámara protegida de interferencias electromagnéticas exteriores.

5. Conclusiones

En este artículo se ha presentado un resumen de los pasos tecnológicos y experimentales a seguir para crecer películas delgadas del superconductor de alta TC YBCO así como para desarrollar dispositivos SQUID. Garantizar una buena calidad de las muestras fabricadas es la base para la correcta interpretación del trabajo experimental y para la viabilidad de las aplicaciones en dispositivos de superconductor. Los distintos tipos de caracterizaciones experimentales mostrados corroboran la buena calidad de las muestras y dispositivos fabricados mediante la técnica de pulverización catódica. Aunque algunas de estas medidas experimentales se ajustan a modelos teóricos conocidos, ésta no es la situación más común. La alta complejidad estructural del material YBCO, más aún cuando está presente una frontera de grano como en las uniones Josephson, hace frecuentemente muy difícil la interpretación de las medidas en el laboratorio.13, 14 Por todo ello, el avance tecnológico de este tipo de materiales y dispositivos va unido a un enorme esfuerzo en el desarrollo de teorías y modelos capaces de explicar sus características físicas.

6. Referencias

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[12] Navacerrada M. A., Lucía M. L. y Sánchez-Quesada F., “Step resonances in He+ irradiated YBa2Cu3O7-x grain boundary junctions and Superconducting Quantum Interference Devices”, Supercond. Science and Technology 14 (2001), pp.72 – 77.

[13] Navacerrada M. A., Lucía M. L. y Sánchez-Quesada F., “Electromagnetic properties and He+ irradiation effects on YBa2Cu3O7-x grain boundary Josephson junctions”, Phys. Rev. B 61 (2000), pp. 6422 – 6427.

[14] Navacerrada M. A., Lucía M. L. y Sánchez-Quesada F.,”A comparative analysis of YBa2Cu3O7-x grain boundary junctions modified by oxygen annealings and He+ irradiation”, Europhysics Lett. 54 (2001), pp.387 – 394.

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Superconductor

Superconductor

Barrera

(a)

(b)

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