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Studio di materiali superconduttori non convenzionali per applicazioni nel campo della rivelazione di radiazioni
Lo scopo di questa tesi è stato quello di studiare, sulla base di un modello teorico semplificato, il comportamento di materiali superconduttori non convenzionali da impiegare nella fabbricazione di giunzioni tunnel superconduttive funzionanti come rivelatori di radiazione nell'ultravioletto, visibile e vicino all'infrarosso. L'interesse per questi dispositivi risiede nelle prestazioni che si possono ottenere in termini di risoluzione energetica intrinseca (0.07% per il Nb a 6KeV), risoluzione temporale (inferiore al ms) ed efficienza di rivelazione (50%). In particolare, la risoluzione energetica intrinseca, non presente in tutti i rivelatori tradizionali a stato solido utilizzabili per la spettroscopia nella regione d'interesse, costituisce l' elemento più interessante per molte applicazioni in vari campi, dalla fisica subnucleare e nucleare all'astronomia, dalla spettrometria alla caratterizzazione dei materiali. La possibilità di utilizzare nuovi materiali per ottenere performances e soluzioni sempre più vantaggiose rientra nell'ambito di ricerche condotte da alcuni anni presso il Gruppo di Superconduttività della facoltà di ingegneria di Napoli. Molti sono, altresì, i gruppi internazionali (E.S.A., Max Planck Institute, Yale University) che coordinano ricerche analoghe. Il funzionamento di questo tipo di rivelatori si basa sulla misura della carica prodotta per assorbimento della radiazione in una giunzione tunnel di tipo Josephson. Al fine di ottimizzare la misura dell'impulso di corrente determinato dal tunneling delle eccitazioni prodotte, è importante che i processi di rilassamento, attraverso i quali l'elettrodo perturbato della giunzione ritorna allo stato di equilibrio (assenza di radiazione), siano molto lenti rispetto al tempo caratteristico di tunneling. Questi processi di rilassamento risultano strettamente legati allo spettro fononico del materiale superconduttore. Il modello teorico proposto per la stima dei tempi di rilassamento si basa sull'approssimazione di Debye per i fononi (approssimazione dello spettro fononico alle basse frequenze con una funzione quadratica) e sulla teoria di McMillan per superconduttori debolmente strong coupling, per i quali è possibile arrivare ad una relazione analitica per la temperatura critica di transizione alla fase superconduttiva. Il modello teorico è stato applicato, come test di autoconsistenza, anche a materiali per i quali esistono studi basati su dati sperimentali (Al, Nb...). Alla luce dei risultati ottenuti, sono state sviluppate possibili configurazioni impieganti i materiali selezionati per temperatura critica elevata e tempi di rilassamento lenti. Nella maggior parte dei materiali investigati, per i quali l'efficienza quantica è dell'ordine del 40-50%, la risposta spettroscopica simulata porta a risoluzioni comprese tra 10 e 44nm, per lunghezza d'onda assorbita pari a 500nm. Le configurazioni basate sul Mo e sulla lega di Mo e Re mostrano buone caratteristiche in termini di assorbimento, temperatura critica e carica raccolta. Per tutte le configurazioni è possibile ottenere, almeno in teoria, migliori performances agendo sulle dimensioni della giunzione e sul circuito esterno di misura. Questi accorgimenti si rivelano necessari per quei materiali (v. Nb, V, Ta...) in cui la densità di quasiparticelle generate è più bassa e, di conseguenza, la risoluzione è fortemente degradata dal rumore elettronico. La possibilità di realizzare queste configurazioni dipende da diversi fattori: la capacità di realizzare film superconduttivi di alta qualità, le proprietà di uniformità e trasparenza delle barriere isolanti... In particolare, un materiale interessante, per il quale la tecnologia è stata sviluppata per altre applicazioni, è il nitruro di titanio che è possibile crescere in maniera epitassiale, o almeno altamente orientabile. Per questo materiale si è ottenuta una risoluzione di 45nm per lunghezza d'onda assorbita pari a 500nm, a T=0.3K.
Per dettagli potete scrivermi all'email manusomma@yahoo.com o consultare il sito http://avmp01.mppmu.mpg.de/ltd7