SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA

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, 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 portasubstratos. 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.
35
(b)
30
25
(006)
(004)
Intensidad (u.a.)
10000
(001)
100000
(002)
(003)+substrato
(a)
(005)
(005)+substrato
1000000
20
ρ(Ω)
1000
15
100
10
10
5
1
10
20
30
2θ
40
50
60
0
0
50
100
150
T(K)
200
250
300
Figura 1. (a) Diagrama de rayos X en la geometría θ - 2θ 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 las 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
observan 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
90 y 92 K. Estas medidas sirven como ejemplo para mostrar la adecuación del sistema de
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 máxima, esto es sin resistencia eléctrica, que circula 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 SQUID, 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
Superconductor
Barrera
Superconductor
w
I
t
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.
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 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
B (z ) =
µ 0 NI 
L
a
 2 (z + L )2 + a 2

+

,
2
2 
2 z +a 
a
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: A = A1 × A2 .
350
300
250
I(µA)
200
150
100
50
0
0.0
0.5
1.0
V(mV)
1.5
2.0
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
120
80
IC (µA)
40
0
-40
-80
-120
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
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
sen (πφ )
πφ
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: SQUID
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 las propiedades de variación de IC
con señales magnéticas muy débiles (Figura 5). Así se están fabricando y mejorando los
dispositivos SQUID 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, φ, 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 φ, 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.
(a)
(b)
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 φ 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 SQUID, 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 SQUID sobre películas delgadas de
YBCO, depositadas sobre substratos bicristalinos mediante la técnica de pulverización
catódica anteriormente descrita.12 En la Figura 8 se han 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 µA
59 µA
V (a.u.)
57 µA
55 µA
53 µA
51 µA
49 µA
Φ
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 SQUID
pueden dar información sobre materiales que se 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 SQUID se
emplean a menudo para registrar las señales electromagnéticas generadas por el cerebro. Los
SQUID 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
SQUID, 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 que
deben seguirse 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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strained YBa2Cu3O7-x ultrathin layers in YBa2Cu3O7-x/PrBa2Cu3O7-x superlattices”, Phys. Rev.
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