[Alumnos] Beca Conicet-Agencia en el Instituto Balseiro
Lista de los Alumnos del Departamento de Fisica
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Lun Ago 10 17:52:15 ART 2009
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Ofrecimiento de Beca Doctoral cofinanciada Conicet-Agencia dentro del marco
del PRH 74 en Nanociencias
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T铆tulo: Propiedades estructurales de las fases s贸lidas de la materia de v贸rtices mesosc贸pica
Lugar de trabajo: Instituto Balseiro y Laboratorio de Bajas Temperaturas, Centro At贸mico Bariloche
Director: Dra. Yanina Fasano
Codirector: Dr. Hern谩n Pastoriza
Contactar a: Yanina.Fasano en cab.cnea.gov.ar
Deadline de la presentaci贸n: 18 agosto 2009
Plan de trabajo:
Un n煤mero importante de las emergentes aplicaciones de la nanotecnolog铆a se basan en la capacidad de ciertos
materiales en superconducir por debajo de una temperatura cr铆tica Tc. La superconductividad es un fen贸meno
que se manifiesta, en ciertas condiciones de temperatura y campo magn茅tico, a trav茅s de la ausencia de
resistencia frente a la aplicaci贸n de una corriente el茅ctrica [1]. Los superconductores presentan adem谩s el
fen贸meno de expulsi贸n completa (fase Meissner) o parcial (fase mixta) del campo magn茅tico externo [1], lo que
permite utilizarlos en aplicaciones asociadas con la levitaci贸n magn茅tica. En la fase mixta el campo externo
penetra en el material en forma de tubos de flujo cuantizado, torbellinos de corrientes superconductoras
llamados v贸rtices [1]. El balance entre la interacci贸n repulsiva entre v贸rtices y la presi贸n ejercida por el
campo magn茅tico externo produce que estos torbellinos se organicen en una estructura cuasi-cristalina y por
lo tanto se habla de la materia de v贸rtices [1]. Las propiedades fundamentales de un superconductor se
originan en un estado microsc贸pico peculiar: los electrones se encuentran condensados en un estado cuya
funci贸n de onda es macrosc贸picamente coherente en fase [1]. Al aplicarse un campo magn茅tico, la formaci贸n de
la materia de v贸rtices conlleva una modulaci贸n espacial de la funci贸n de onda superconductora ya que el
m贸dulo de la misma se encuentra deprimido en el n煤cleo de los v贸rtices.
Recientemente se ha comenzado a desarrollar dispositivos basados en muestras superconductoras de tama帽o
mesosc贸pico, como por ejemplo en las 谩reas de single-photon detectors [2], fault-current limiters [3],
quantum computers [4], squid magnetometers [5], microelectr贸nica [6]. Un n煤mero importante de estos
dispositivos aprovechan la propiedad de transportar corriente sin disipaci贸n. En el caso de muestras
macrosc贸picas con campo aplicado la disipaci贸n nula se produce debido a que los v贸rtices permanecen anclados
en los defectos cristalinos naturales de las muestras si la corriente aplicada es menor a un valor cr铆tico ic
[1]. El desanclaje de v贸rtices debido a la aplicaci贸n de una corriente mayor que ic es disipativo ya que
dentro de los n煤cleos de los v贸rtices en movimiento el par谩metro de orden superconductor se encuentra
deprimido (n煤cleo no superconductor) [1]. Por lo tanto, una detallada caracterizaci贸n de las propiedades de
anclaje en las distintas fases de la materia de v贸rtices es crucial para el desarrollo de dispositivos
tecnol贸gicos.
Este tema ha sido estudiado de forma exhaustiva en el caso de muestras macrosc贸picas. En el caso particular
de los superconductores de alta temperatura cr铆tica, debido al rol determinante de las fluctuaciones
t茅rmicas, en el rango de temperaturas entre Tc y Tm (la temperatura de fusi贸n de la red de v贸rtices) se
estabiliza la fase l铆quida de v贸rtices con propiedades de transporte disipativas [7]. Al enfriar a trav茅s de
la transici贸n de primer orden a Tm(H) la materia de v贸rtices se solidifica y, si los efectos geom茅tricos y de
superficie no son dominantes, la fase s贸lida presenta propiedades de transporte irreversibles con disipaci贸n
nula para corrientes aplicadas menores que ic [7]. La magnitud de la irreversibilidad depende de las
caracter铆sticas del potencial que ancla a la materia de v贸rtices [8]. En el caso en que los efectos
geom茅tricos y de superficie son importantes, una peque帽a regi贸n de la fase s贸lida de v贸rtices puede presentar
propiedades de transporte disipativas [9].
Los efectos geom茅tricos y de superficie son progresivamente m谩s importantes cuando el tama帽o de las muestras
se reduce a dimensiones mesosc贸picas. Este tema se encuentra poco explorado experimentalmente [10-12]. En el
caso de superconductores de alta temperatura cr铆tica con
dimensiones mesosc贸picas el 煤nico estudio fue recientemente realizado en el Laboratorio de Bajas Temperaturas
utilizando muestras microm茅tricas de BiSCCO-2212 (Tc ~ 80 K) y la t茅cnica de osciladores micromec谩nicos [13].
Se encontr贸 que, en contraste con la fenomenolog铆a observada en muestras macrosc贸picas, la materia de
v贸rtices mesosc贸picas presenta una gran fracci贸n de la fase s贸lida de v贸rtices con propiedades de transporte
reversibles, es decir, con disipaci贸n no nula [13]. Estos resultados se帽alan que al reducirse el tama帽o de
las muestras se estabilizan fases de v贸rtices que son inherentes a la materia de v贸rtices a escala
mesosc贸pica. En consecuencia, la estabilizaci贸n de una fase s贸lida con propiedades de transporte reversible
en una regi贸n apreciable del diagrama de fases afecta de forma radical el rango de aplicaci贸n de los
dispositivos que aprovechan la propiedad de resistencia nula.
Si bien las propiedades de transporte de la materia de v贸rtices mesosc贸pica de BiSCCO-2212 han sido
medianamente caracterizadas, resta a estudiar cu谩les son las propiedades estructurales de las fases s贸lidas
de la materia de v贸rtices mesosc贸pica. En el caso del s贸lido de v贸rtices en muestras macrosc贸picas, que
presenta disipaci贸n nula, la fase s贸lida presenta la estructura conocida como Bragg glass, una fase vidriosa
con picos de difracci贸n de Bragg, orden orientacional de largo alcance y posicional de cuasi largo alcance
[14]. Esto 煤ltimo implica que los v贸rtices se alejan de la posici贸n de una red hexagonal perfecta con
desplazamientos que crecen de forma acumulativa con la distancia. En la fase s贸lida reversible de la materia
de v贸rtices mesosc贸pica el efecto del potencial de anclaje es despreciable, y por lo tanto es de esperar que
las propiedades estructurales difieran de las del Bragg glass. Actualmente no existen predicciones te贸ricas
respecto a las propiedades estructurales del s贸lido de v贸rtices mesosc贸picos, aunque es un tema que ha
comenzado a ser estudiado por A. Kolton [15] en el grupo de Teor铆a del S贸lido.
En esta tesis se pretende obtener la primera evidencia experimental sobre las propiedades estructurales de
las fases s贸lidas de la materia de v贸rtices mesosc贸pica. Se propone utilizar la t茅cnica de decoraci贸n
magn茅tica [16] para visualizar en forma directa, y en toda la extensi贸n de la muestra, la materia de v贸rtices
mesosc贸pica. Esto permitir谩 caracterizar las propiedades estructurales del s贸lido de v贸rtices y estudiar c贸mo
las mismas dependen del grado de confinaci贸n (tama帽o de las muestras). Para esto se propone fabricar muestras
mesosc贸picas del material superconductor de alta temperatura cr铆tica Bi-2212 con dimensiones t铆picas de
micrones. La caracterizaci贸n de propiedades estructurales se realizar谩 mediante el estudio de la evoluci贸n
del orden orientacional y posicional cuantificado a partir de funciones de correlaci贸n. En suma, este trabajo
permitir铆a obtener im谩genes directas de fases de la materia condensada ?blanda? que s贸lo son estables en la
escala mesosc贸pica.
En el transcurso de esta maestr铆a se propone el plan de trabajo que consiste en:
1-
Aprendizaje y familiarizaci贸n con la t茅cnica de litograf铆a electr贸nica utilizando un microscopio electr贸nico
de barrido (SEM).
2-
Aprendizaje y familiarizaci贸n con la t茅cnica de decoraci贸n magn茅tica de v贸rtices y visualizaci贸n utilizando
un microscopio de barrido electr贸nico.
3-
Familiarizaci贸n con t茅cnicas criog茅nicas.
4-
Mediciones de las muestras fabricadas utilizando la t茅cnica de decoraci贸n magn茅tica y otras.
5-
Cuantificaci贸n de las propiedades estructurales del s贸lido de v贸rtices mesosc贸pico utilizando el an谩lisis de
funciones de correlaci贸n.
[1] ?Introduction to Superconductivity?, M. Thinkham, Dover Publications, New York (1996).
[2] ?Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors?, G. N. Gol?tsman et al., IEEE
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[3] ?Studies of YBCO strip lines under voltage pulses: optimisation of the design of fault current limiters 禄,
M. Decroux, L. Antognazza, S. Reymond, W. Paul, M. Chen and 脴. Fischer, IEEE Transactions on Applied
Superconductivity 13, 1988 (2003).
[4] ?Tunable Josephson Devices for Quantum Computation 禄, V. Corato, C. Granata, S. Rombetto, B. Ruggiero, M.
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[7] ?First-order phase transition at the irreversibility line of Bi2Sr2CaCu2O8?, H. Pastoriza, M. F. Goffman, A.
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Dubonos, J. G. S. Lok, J. C. Maan, A. E. Filippov, F. M. Peeters, Nature 390, 259 (1997).
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[12] ?Superconductivity : Geometry spawns vortices?, L. F. Chibotaru, A. Ceulemans, V. Bruyndoncx, V. V.
Moshchalkov, Nature 408, 833 (2000).
[13] M. Dolz, Tesis doctoral, Instituto Balseiro (2009).
[14] ?Scaling approach to pinning: Charge density waves and giant flux creep in superconductors?, T. Nattermann,
Physical Review Letters 64, 2454 (1990); ?Elastic theory of pinned flux lattices?, T. Giamarchi and P. Le
Doussal, Physical Review Letters 72, 1530 (1994).
[15] Consultar informaci贸n profesional en http://cabtes55.cnea.gov.ar/people.html
[16] ?Magnetic-decoration imaging of structural transitions induced in vortex matter?, Yanina Fasano and Mariela
Menghini, Topical Review contribution, Superconducting Science and Technology 21, 23001 (2008). Archivo
disponible en la p谩gina personal de Y. Fasano en
http://batemp.cnea.gov.ar/~fasanoy/publicaciones/sust8_2_023001.pdf
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