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Desarrollo de sensores superconductores de rayos X para la misión espacial ATHENA. Trabajo de Fin de Grado. Pablo José Martínez Gil. Directores: Carlos Pobes Aranda. Agustín Camón Lasheras. Física de la Materia Condensada. Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón. Septiembre 2014. Resumen La mayor parte de la materia bariónica en el universo se encuentra en forma de gas caliente, cuyo pico de emisión está en el espectro de los rayos X. Con el n de estudiar esta radiación, la Agencia Espacial Europea está desarrollando la misión Athena, que hará uso de un telescopio con sensores de transición superconductora (TES) fabricados con materiales superconductores. Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón forma parte de este proyecto y está trabajando en la caracterización de estos sensores en el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad de Zaragoza. Tras una introducción teórica, una explicación de su principio de funcionamiento y un resumen de su proceso de fabricación, se han realizado diversas caracterizaciones de estos sensores con un refrigerador de dilución y un equipo de medida automatizada denominado PPMS. Se ha tratado de relacionar la potencia de fabricación por sputtering y el espesor de las bicapas con la temperatura de transición del TES. Finalmente, al hacer el estudio de las curvas I(V) se descubrió un comportamiento anómalo asociado al proceso de medición, cuyo origen se ha logrado identicar. Índice general 1. Introducción....................................... 7 1.1. Athena ..................................... 7 1.2. TES: Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3. Efectodeproximidad ............................. 12 1.4. FórmuladeMartinis.............................. 14 1.5. Fabricacióndebicapas............................. 14 2. Desarrollo experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1. Descripción del instrumental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2. Ajuste experimental de R(T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3. Resultados experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4. Caracterización I(V) de los TES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3. Conclusiones ...................................... 34 1. Introducción Cosmology brings us face to face with the deepest mysteries, questions that were once treated only in religion and myth. Carl Sagan Desde tiempos prehistóricos, la especie humana ha sentido fascinación por el vasto e inmenso paisaje de objetos luminosos que se desplegaba delante de sus ojos al mirar al cielo tras la puesta de sol, iluminando las noches oscuras de los primeros hombres. Pronto se intentó llenar a estos objetos de signicado mediante la superstición y el mito. Milenios más tarde, el desarrollo tecnológico ha podido arrojar luz sobre la verdadera naturaleza del Universo y de los objetos que lo forman mediante un método empírico. Sin embargo, la cosmología tiene un largo camino por delante para conseguir desentrañar los aspectos más abstrusos y desconocidos del cosmos (como la materia y la energía oscuras). Su progreso irá indefectiblemente de la mano del progreso tecnológico, que permitirá observar nuevos fenómenos y perfeccionar ciertos aspectos de la teoría vigente del Universo Caliente y Energético. [1] La mayoría de la materia bariónica del Universo se encuentra en forma de gas caliente, a una temperatura cuya frecuencia máxima de emisión se corresponde con el rango de los rayos X. Estos no son detectables por los sistemas ópticos convencionales y se ha de utilizar nueva tecnología de medición para poder estudiar las características del medio interestelar. Un importante avance en la observación espacial en este rango energético vendrá con el lanzamiento del telescopio Athena, que hará uso de nuevas aplicaciones tecnológicas relacionadas con materiales superconductores para propiciar una mejora en la sensibilidad de detección de radiación energética en comparación con los observatorios astrofísicos actuales. 1.1. Athena Athena Advanded Telescope for High ENergy Astrophysics es un proyecto de la Agencia Espacial Europea que plantea estudiar el Universo Caliente y Energético mediante un telescopio de rayos X. Se espera que este observatorio dé un paso cualitativo y cuantitativo en el estudio y observación de distintos fenómenos astrofísicos, empujando la creación de nuevas áreas de investigación y la obtención de datos experimentales con una resolución pionera. El lanzamiento de este telescopio está previsto para 2028. El objeto de estudio del telescopio Athena es la radiación producida por materia ordinaria que se encuentra en el Universo pero cuya temperatura es tan elevada que los telescopios ópticos son incapaces de detectarla, con el n de responder a dos preguntas clave en el modelo cosmológico del Universo Caliente y Energético: cómo evolucionó la materia ordinaria en las grandes estructuras que conforman el Universo en la actualidad y cómo se generaron los primeros agujeros negros y desarrollaron sus características para dar forma al Universo actual, cuestiones cuya resolución pasa por enteder la evolución de los bariones que se condensan en grandes estructuras galácticas de alta estabilidad, denominadas clusters, que son conjuntos de cientos o miles de galaxias unidas mediante interacción gravitatoria desde su época de formación (z ∼ 2-3) 1 hasta la actualidad [3]. 1 Entre 2000 y 3000 millones de años tras el Big Bang. 7 Concretamente en relación con el Universo Caliente, el objetivo es entender el origen y formación de la alta densidad de energía en forma de gas caliente contenida dentro de los clustres. Se cree que este gas caliente ha tenido relación con el crecimiento de los clusters mediante el proceso físico de acreción. A su vez, se pretende arrojar luz sobre el mecanismo que controla la distribución de este gas en diversas escalas. Además, se quiere conocer el principio que permite que ujos de AGN 2 disipen su energía mecánica en el intra-cluster medium , impidiendo la formación de nuevas estrellas, lo que da lugar a un mecanismo de retroalimentación. De manera análoga para el Universo Energético, se plantea entender el proceso que permitió la reionización cósmica mediante la búsqueda de las primeras estrellas que se formaron, cuya emisión de radiación se cree que está detrás de este fenómeno. La formación de los primeros agujeros negros y la dispersión de los primeros metales también será materia de estudio. El telescopio Athena revelará cómo se forman los discos de acreción en la proximidad de los agujeros negros mediante la detección de los rayos X emitidos por material a altas temperaturas en la cercanía del horizonte de sucesos, antes de ser absorbidos. Para maximizar la eciencia en la detección de rayos X, el satélite incluirá un instrumental óptico de gran resolución angular y dos instrumentos de plano focal intercambiables, denominadas X-Ray Integral Field Unit (X-IFU) [4]y Wide Field Imager (WFI). El primer aparato es un espectrómetro de rayos X que ha de mantenerse a bajas temperaturas ya que estará constituido por un calorímetro realizado con materiales superconductores, cuyo sistema termómetro (TES) será el centro de este trabajo. El segundo es un sosticado transistor de efecto de campo, caracterizado por una densidad de portadores de carga cuya variación será proporcional a la energía del fotón incidente. Hay ciertos requisitos que ha de cumplir el satélite para maximizar la eciencia en la detección de rayos X y proporcionar la adecuada resolución, tanto espacial como espectral, en distintos intervalos de frecuencias: rango energético entre 0.3 y 12 keV (es el intervalo de energía de los rayos X que se pretenden detectar), la resolución energética ha de ser de 2.5 eV (que supone una importante mejora respecto a los anteriores observatorios de rayos X) y la resolución angular pretende ser de únicamente 5'. También se busca una resolución temporal de 10 µ s. Para cumplir todos estos requerimientos se ha calculado que para el instrumento X-IFU se precisa un array de 3840 TES multiplexados de forma cuadrada de 250 µ m de lado. 1.2. TES: Principio de funcionamiento Los materiales superconductores [5] se caracterizan por presentar dos propiedades que se maniestan debajo de su temperatura crítica TC : muestran una resistencia nula a la corriente eléctrica (exhiben una conductividad innita) e impiden la penetración de ujo de campo magnético en su volumen 3 . La superconductividad es un fenómeno cuya explicación cuántica viene dada por la teoría BCS, que responde a las iniciales de Bardeen, Cooper y Schrieer, autores que propusieron la 2 AGN, de sus siglas en inglés, núcleos activos de galaxias, es una región compacta en el centro de la galaxia con una densidad energética más elevada de lo normal. Se trata de las fuentes de radiación electromagnético más persistentes y luminosas observadas hasta la fecha. 3 Este comportamiento muestra dos fenomenologías distinguibles: Los de tipo I permiten que el campo magnético sólo penetre una pequeña distancia, denominada longitud de penetración mientras que en los de tipo II el campo magnético sí que penetra en el volumen. 8 teoría en 1957 y por la que ganaron el premio Nobel en 1972. La atracción entre una pareja de electrones lleva a un estado fundamental separado de los estados excitados mediante un gap de energía, formando los llamados pares de Cooper. Esta interacción es de naturaleza electrónred-electrón: el primer electrón interactúa con la red, deformándola. Un segundo electrón toma ventaja de esta deformación interactuando con el primer electrón, lo que permite disminuir su energía, formando la llamada función de onda BCS. Estos pares son los encargados de la conducción eléctrica y su función de ondas conjunta tiene un spin nulo y las características de un bosón. Los pares de electrones ligados, al comportarse colectivamente como un bosón, colapsan en el estado de mínima energía, imposibilitando la disipación de energía y dando lugar a una resistencia nula en el material. Los materiales superconductores [6] [7] tienen la característica de transitar desde su resistencia normal RN (a temperaturas superiores a su temperatura crítica TC ) hasta un estado de resistencia nula cuando se encuentran por debajo de su temperatura de transición. Los TES aprovechan esta brusca transición para funcionar como termómetros muy sensibles, ya que una pequeña variación de temperatura produce un cambio apreciable de resistencia que puede medirse como una variación de voltaje. Gracias al acoplo con un absorbente, que puede variar dependiendo del tipo de radiación a detectar, la versatilidad de operación de los TES es elevada. Dependiendo del material absorbente, estos sensores se pueden implementar tanto como bolómetros (que miden la cantidad total de radiación en todas las longitudes de onda) o como microcalorímetros. No son sensores exclusivamente de radiación electromagnética sino que pueden detectar cualquier tipo de partícula, ya que proporcionan una gran sensibilidad de detección de la energía térmica absorbida. Estos sensores se estabilizan en el comienzo de la pendiente de transición entre los dos estados. Figura 1: Transición superconductora típica y punto de polarización. Los TES que se van a utilizar en el satélite Athena forman parte de un montaje experimental más complejo, denominado microcalorímetro o calorímetro cuántico (ya que son capaces de detectar fotones individuales), que está formado por un absorbente conectado al TES, el cual a su vez está conectado con un baño térmico a una temperatura Tb . 9 2. Desarrollo experimental En el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad de Zaragoza se lleva trabajando desde hace varios años en el desarrollo de TES, caracterizando distintas muestras de molibdeno y molibdeno/oro de diversos espesores y con distintas condiciones de depósito (variando la potencia de sputtering y la presión de crecimiento de los ejemplares). El proceso de litografía es realizado en el Instituto de Microelectrónica de Tres Cantos (Madrid) http://www.imm.cnm.csic.es/es por el grupo DDRS-Space. Se trabaja tanto con muestras bulk (de tamaño grande, varios mm2 ) como con muestras litograadas, que tienen el tamaño requerido para los TES de la misión Athena ( 250µm x 250µm ). El objetivo del desarrollo experimental es encontrar bicapas de molibdeno/oro cuya temperatura de transición esté cercana a los 100 mK, de tal modo que conociendo la relación entre diversos parámetros de fabricación se consiga automatizar un proceso de litografía que muestre la reproducibilidad requerida en la obtención de bicapas con transición estrecha en torno a la temperatura deseada. En última instancia, la meta del equipo que trabaja en este proyecto es poder caracterizar en la Universidad de Zaragoza un píxel completo (TES con absorbente y los dos contactos térmicos que forman parte del microcalorímetro) con el objetivo de comprobar su respuesta como microcalorímetro a la radiación de rayos X. Mi trabajo ha consistido en la realización de distintas caracterizaciones, cada una de ellas con una motivación especíca: Se crecieron algunas muestras de molibdeno puro para intentar averiguar la dependencia de la potencia de sputtering sobre la temperatura de transición. En el apartado 2.3 se detallan los resultados para una serie (n11) que son cuatro muestras de 50 nm de molibdeno crecidas a distintas potencias de sputtering. Una vez encontrada una potencia de sputtering idónea, se crecieron distintas muestras bulk con diversos espesores de molibdeno e idéntico de oro (215 nm) para determinar la concordancia con la fórmula de Martinis. Se van a incluir datos de las series n6, n8, n10 y n12. Algunas membranas litograadas forman también parte de la serie n12. Con estas muestras se intentó obtener una temperatura de transición cercana a 100 mK. La caracterización R(T) se observará más adelante. Finalmente, con membranas litograadas se trató de caracterizar el TES de una manera más completa, mediante la determinación de las curvas I(V). Se observó un comportamiento anómalo, cuyo origen se intentará aclarar. 2.1. Descripción del instrumental. En el proceso de caracterización de los TES se utilizaron dos montajes experimentales distintos, en función de los parámetros que interesaba medir: el refrigerador de dilución, para obtener 16 tanto curvas R(T) como curvas I(V) hasta temperaturas de décimas de Kelvin y el PPMS, que permite una bajada de temperatura más rápida hasta 350 mK. Instrumental: Refrigerador de dilución Para obtener temperaturas de operación sucientemente bajas para caracterizar el sensor y su transición, se hace uso de un instrumental llamado refrigerador de dilución [11]. Utiliza una mezcla de dos isótopos del helio en estado líquido ( 4He y 3He ) para alcanzar temperaturas del orden de las que se quieren encontrar (100 mK). Esto se realiza mediante un proceso termodinámico que permite bajar de manera continua desde temperatura ambiente hasta temperaturas menores que una décima de Kelvin, proceso que tiene que ver con la entalpía de mezcla de los dos líquidos cuánticos y la presión osmótica que se genera entre los dos isótopos, como se verá más adelante. Cuando la temperatura de la mezcla disminuye por debajo de 0.87 K, la mezcla sufre una separación de fase espontánea entre una rica en 3He y otra pobre en ese isótopo. Esta separación de fases tiene lugar en la cámara de mezcla (mixing chamber). Bombeando helio-3 en la fase diluida se produce una reconguración de isótopos de 3He desde la fase concentrada a la fase diluida (energéticamente más favorable). La diferencia de entalpía entre estas dos fases es lo permite el enfriamiento característico de este instrumental. Figura 7: Refrigerador de dilución del Laboratorio de Bajas Temperaturas de Zaragoza. La mezcla de helio-3 y helio-4 es preenfriada y puricada haciendo uso de nitrógeno líquido hasta 77 K y posteriormente con 4He hasta 4.2 K. A temperaturas superiores sólo existe una fase, independientemente de la concentración de los dos isótopos. Posteriormente, la mezcla uye mediante un circuito en espiral en torno en una cámara de vacío, llamada 1K pot, donde se ha bombeado helio-4 proveniente desde el baño, lo que permite disminuir su temperatura hasta 17 apenas 1 K gracias a un contacto térmico. El refrigerador de dilución del Laboratorio de Bajas Temperaturas de Zaragoza permite la medición de seis muestras bulk y una membrana litograada al mismo tiempo. El sample holder para las seis muestras bulk se observa en la siguiente imagen: Figura 8: Holder de las muestras en el refrigerador de dilución. Este instrumental fue utilizado para medir la resistencia del TES en función de la temperatura, con el n de observar la transición superconductora y sus principales características (temperatura de transición TC , anchura de la transición ∆T , resistencia normal RN , etc...), de la misma manera que se pueden trazar curvas I(V) de una membrana litograada mediante un circuito cuyo componente principal es un SQUID (ver apartado 2.4). Instrumental: PPMS El PPMS, Physical Properties Measurement System es un equipo de medida automatizado que pertenece al Servicio de Medidas Físicas de la Universidad de Zaragoza. Gracias al bombeo de helio-3, este instrumental tiene la capacidad de bajar hasta temperaturas de 350 mK de forma más rápida que un refrigerador de dilución. Esto permite caracterizar la resistencia en DC del TES mediante el método de la resistencia de cuatro puntos (por dos terminales se introduce una intensidad en continua y por otros dos se mide la diferencia de potencial de la muestra). 18 Figura 9: Sample holder para el PPMS con varias muestras bulk . Este instrumental ha permitido medir muestras cuya TC fuera a priori superior a 350 mK, según la curva teórica de Martinis. 19 2.2. Ajuste experimental de R(T) Figura 10: R(T) ideal. Una transición teórica superconductora se muestra en la siguiente gura. Se han marcado los parámetros más importantes, que son TC (temperatura de transición), RN (resistencia a temperatura mayor que la de transición), ∆T (anchura de transición) y el punto donde se conguraría el TES ( bias position o punto de operación). Se comprueba que la parte de la transición es recta y el punto de estabilización del TES se conguraría en el comienzo de la transición, con el n de tener mayor rango dinámico en la parte de la transición que tiene característica lineal con la temperatura. Sin embargo, los datos experimentales no muestran un comportamiento tan sencillo, ya que puede haber transiciones dobles, pequeñas chepas al nal de la transición, inexistencia de puntos en la transición, ausencia de linealidad en la transición etc. Una muestra de la gran variedad de transiciones que se pueden encontrar se observa en la siguiente gura: Figura 11: Ejemplos de curvas R(T) anómalas Las curvas de la resistencia en función de la temperatura obtenidas se ajustaron a distintas relaciones teóricas debido a la gran variedad de curvas experimentales que se pueden obtener. Para el análisis de los resultados obtenidos se ha hecho uso de los siguientes ajustes: Función con exponencial en el denominador ( ExpDen ). R(T) = RN 1 + e −(T−TC) ∆T (10) Cuando T = TC , R = RN 2 . Además se cumple que si T >> TC , R →RN y si T << TC , R →0 . Para calcular la anchura de la transición, se va a tomar como convenio el intervalo de temperatura en el que la resistencia del TES pasa de ser un 10% de RN hasta el 90%: 0,9RN=RN 1 + e −(T0,9−TC) ∆ →T0,9=TC+ ∆ ·log(9) (11) 20 0,1RN=RN 1 + e −(T0,1−TC) ∆ →T0,1=TC−∆·log(9) (12) T0,9−T0,1≡∆T= ∆ ·log(81) (13) Función error ( Ferr ): Elegida por su caracter simétrico en torno a cero (valor que se puede desplazar sumando o restando una cierta cantidad en su argumento). La expresión utilizada es: R(T) = RN 2erf T−TC ∆+ 1 (14) De esta manera se vuelve a dener la temperatura de transición como aquella asociada a una resistencia cuyo valor es la mitad de RN . Para calcular la anchura de la transición, se utiliza el mismo criterio que en el caso anterior: 0,9RN=RN 2erf T0,9−TC ∆+ 1→T0,9=TC+ ∆ ·erf−1(0,8) (15) 0,1RN=RN 2erf T0,1−TC ∆+ 1→T0,1=TC+∆·erf−1(−0,8) = TC−∆·erf−1(0,8) (16) Debido a que la función de error inversa es antisimétrica. La anchura de la transición queda como: T0,9−T0,1≡∆T= 2 ·∆·erf−1(0,8) (17) Función por partes, exponencial más recta ( Exp + rec ): Para modelar el comienzo de la transición se elige una función exponencial que precede a una recta que se ajusta a la transición en sí, sin incluir la parte nal en la que la resistencia se estabiliza en RN . Esta función por partes tendrá que cumplir condiciones de continuidad y derivabilidad en todo su recorrido. La temperatura T0 (de magnitud inferior a la temperatura de transición aunque muy similar, ya que la anchura de transición es del orden de los mK) es la que marca la frontera entre las dos funciones, cuya resistencia será R0 (que no será la misma que RN sino de valor bastante menor). El parámetro  da idea de la brusquedad de la transición pero no tiene que ver con la anchura de transición. La función por partes es, tras aplicar condiciones de continuidad en las funciones y en sus derivadas: R(T) = R0+R0 T0·(T−T0) si T≥T0 R0·exp T−T0  si T < T0 (18) 21 2.3. Resultados experimentales. Dependencia de TC con la potencia de sputtering. Como se ha mencionado previamente, se realizó un estudio de la relación entre la potencia de sputtering y la temperatura de transición con la serie n11, de molibdeno puro (50 nm). Los ajustes para esta serie son: (a) Muestra n11_1 con los tres ajustes. (b) Muestra n11_2 con los tres ajustes. (c) Muestra n11_3 con los tres ajustes. (d) Muestra n11_4 con los tres ajustes. Y los valores de los parámetros de ajuste con los errores estadísticos son: Muestra Ferr ExpDen TC (K) RN ( Ω ) ∆T (mK) TC (K) RN ( Ω ) ∆T (mK) n11_1 0.916 ± 0.001 0.654 ± 0.001 63 ± 1 0.916 ± 0.001 0.655 ± 0.002 63 ± 1 n11_2 0.844 ± 0.012 0.642 ± 0.001 45 ± 5 0.846 ± 0.010 0.669 ± 0.001 56 ± 4 n11_3 0.901 ± 0.081 0.821 ± 0.002 82 ± 3 0.913 ± 0.040 0.840 ± 0.004 79 ± 3 n11_4 0.995 ± 0.001 0.905 ± 0.009 42 ± 2 0.995 ± 0.001 0.910 ± 0.010 42 ± 2 Se observa que para transiciones buenas, con alta simetría, las dos expresiones ExpDen y Ferr funcionan razonablemente bien. Sin embargo, cuando se tienen principios o nales de transición muy lentos (n11_2 y n11_3), estos ajustes se desvían bastante de los datos experimentales, 22 teniendo un mejor resultado con Exp+rec . Muestra Exp + rec TC (K) R0 ( Ω )  (mK) n11_1 0.888 ± 0.002 0.427 ± 0.014 9.8 ± 2 n11_2 0.839 ± 0.001 0.086 ± 0.020 0.8 ± 1 n11_3 0.808 ± 0.004 0.0018 ± 0.043 0.9 ± 1 n11_4 0.995 ± 0.004 0.427 ± 0.078 9.6 ± 1 Las potencias de sputtering utilizadas en el crecimiento de las muestras n11 son: Muestra Potencia sputtering (W) TC (K) n11_1 100 0.916 n11_2 120 0.845 n11_1 140 0.906 n11_1 150 0.995 Se representan grácamente con el error en TC como la mitad de ∆ T: Figura 12: Temperatura de transición en función de potencia de sputtering. La relación entre la potencia de sputtering y la temperatura de transición muestra un mínimo en torno a 120 W. Sin embargo, hay factores en la fabricación de las muestras bulk que aún no se controlan y hacen perder reproducibilidad. Muestras obtenidas en tiempo cercano sí que han 23 podido mostrar reproducibilidad (variaciones de la temperatura de transición menores al 5%) , no obstante, tras algunas intervenciones en el sistemal, esa reproducibilidad se ha perdido, llegando a haber cambios hasta del 10% en la TC . Dependencia de TC con la anchura de las bicapas. Se ha realizado un estudio de la relación entre el espesor de las bicapas y la temperatura de transición obtenida para las muestras n06, n08, n09 y n12, todas ellas con el mismo espesor de oro (215 nm, 15 nm depositados mediante sputtering y 200 mediante e-beam). Ese espesor de oro permite obtener una RN adecuada. Estos datos se han ajustado a la curva de Martinis, dejando libres los parámetros TC0 y t. El ajuste se muestra en la siguiente gráca: Figura 13: Ajuste de Martinis con datos experimentales de tres series. Los parámetros obtenidos son TC0 = 0.76 K y t' = 0.16. Estos valores experimentales ajustan razonablemente bien a la fórmula de Martinis. Cualitativamente se puede intentar entender la dependencia de esos parámetros con la TC de la bicapa. Si TC0 aumenta, TC aumenta también ya que desde la temperatura de transición del molibdeno se parte para obtener menores temperaturas de transición por el efecto de proximidad. Si el espesor de oro aumenta, la TC de la bicapa tiene que disminuir puesto que se induciría un mayor efecto de proximidad. Por último, si el factor de transmisión aumenta, la limpieza de la interface es mayor (es más transparente) por lo que el efecto de proximidad será más grande. Se ha realizado un estudio gráco de la dependencia de la fórmula de Martinis con la variación de los parámetros obtenidos en el segundo ajuste. Tanto TC0 como dAu se han variado un 10% ya que mayores variaciones no son comunes. Para el factor de transmisión, debido a su poca reproducibilidad, se ha tomado una variación del 50%. Se ha dibujado una curva con la variación con valores superiores respecto de la obtenida (esto es, máxima TC0 y mínimos dAu y 24 t') y otra con los mínimos valores: Figura 14: Dependencia de la fórmula de Martinis con la variación de los parámetros. En la gráca se incluyen los datos experimentales de la n06, n08, n09 y n12. Se ha marcado en la gráca el intervalo esperado de valores del espesor de molibdeno para obtener la TC requerida, el cual es bastante grande, de lo que se deduce que es necesario conseguir un mayor control sobre los parámetros de las bicapas para obtener la reproducibilidad deseada. Sin ella, la elección de los espesores para bicapas con una transición superconductora de 100 mK se vuelve complicada. Algunas muestras de la serie n12 se crecieron para intentar obtener temperaturas de transición cercanas a 100 mK. Los ajustes se muestran a continuación: (a) Muestra n12_1 con los tres ajustes. (b) Muestra n12_2 con los tres ajustes. 25 Figura 20: Medida de R(T) con pads de oro. Al realizar las medidas con el PPMS, no se observan las transiciones de los propios TES, debido a que el PPMS no pudo descender de 400 mK. No obstante, sí se puede comparar la gráca 20 con la 21, donde se midió en la misma conguración pero con pads de molibdeno y aparece un comportamiento extraño: Figura 21: Transición anómala debida a los pads de molibdeno. 32 Una vez se ha identicado el problema, se va a seguir trabajando en una solución denitiva que permita, encontradas las condiciones adecuadas de reproducibilidad, caracterizar de manera completa TES de Mo/Au con una temperatura de transición cercana a 100 mK. 33 3. Conclusiones Los TES presentan una gran resolución cuando operan en su rango dinámico, al congurarse al principio de su transición superconductora. La misión espacial Athena tiene previsto utilizar esta tecnología para fabricar microcalorímetros que permitan detectar fotones de rayos X del medio intergaláctico para respaldar el modelo del Universo Energético y Caliente. Medir la variación de la resistencia en la transición del TES, donde la resistencia es lineal con la temperatura, posibilita la determinación de la energía depositada por un fotón incidente. Debido a la inexistencia de materiales superconductores a la temperatura de operación deseada (100 mK, aconsejable para disminuir el ruido térmico), la mejor alternativa es desarrollar bicapas con láminas superconductoras y láminas normales. Al ponerlas en contacto y en virtud al efecto de proximidad, el gap prohibido del material superconductor disminuye, por lo que su temperatura de transición también disminuye. En el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad de Zaragoza se está trabajando en la caracterización de bicapas de molibdeno ( TC= 0,917K ) y oro, que son crecidas en el Instituto de Microelectrónica de Madrid. Las bicapas caracterizadas presentan temperaturas de transición superiores a la temperatura deseada de operación . La obtención de temperaturas de transición inferiores pasa por disminuir el espesor de molibdeno, aumentar el de la lámina de oro o intentar obtener un mayor factor de transmisión t. La dependencia de la temperatura de transición de los TES con los parámetros principales de las bicapas ( dMo, dAu, TCO y t) es alta, por lo que una pequeña variación en cualquiera de estos parámetros implica una variación en la TC . Además, si en algún caso se manipula el instrumental de crecimiento, las condiciones de operación cambian y encontrar la reproducibilidad requerida se vuelve muy complicado. Las bicapas suelen seguir el comportamiento descrito por Martinis pero la poca reproducibilidad del parámetro t', asociado al método de fabricación de las bicapas, limita en gran medida la posibilidad de crecer TES a la temperatura de transición requerida. Sin embargo, se han conseguido algunos TES con temperatura crítica cercana a 100mK y transiciones abruptas, por lo que mejorando el control de parámetros de crecimiento se espera poder conseguir TES con las prestaciones y reproducibilidad deseadas. En la caracterización I(V) se ha encontrado un comportamiento anómalo, cuyo origen parece estar en los pads de molibdeno utilizados para medir la señal. Se plantean un cambio de material de los pads para solucionar este problema. Se ha realizado una primera prueba cambiando el molibdeno por oro como primera solución pero se seguirá trabajando en otras opciones, como superconductores con una temperatura de transición mayor que la del molibdeno. Otras medidas de interés pueden ser la impedancia compleja Z(ω) y el ruido del TES. Para tal n se ha de completar el instrumental de medida del Laboratorio de Bajas Temperatu34 ras, proceso que se está llevando a cabo actualmente. A medio plazo se trabaja en el desarrollo del material absorbente para fabricar un píxel completo. Se ha elegido el bismuto como absorbente, ya que su alto número atómico cumple con los requerimientos necesarios para la absorción de rayos X. El píxel completo se probará como detector con una fuente de rayos X de 55F e . A largo plazo se estudia la fabricación y la caracterización de arrays completos. 35 Bibliografía [1] K. Nandra et al., A Hot and Energetic Universe: a White Paper presenting the science theme motivating the Athena+ mission. (2013). [2] D. Barret et al., The X-ray Integral Field Unit (X-IFU) for Athena+. (2013) [3] S. Sciortino et al., The Hot and Energetic Universe: Star formation and evolution. 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