MoNaDe

Mo.Na.De. (Modulated Nanostructured Devices): YBCO response to FIR

Lo scopo del progetto è duplice: misurare la risposta alla radiazione FIR di film opportunamente geometrizzati di YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) superconduttivo che presentano corrente critica modulata mediante irradiazione con ioni pesanti ad alta energia (nanostrutturazione) e fornire indicazione delle figure di merito aggiunte dalla nanostrutturazione, con riferimento a specifiche applicazioni nella banda del THz. La modulazione delle proprietà superconduttive tramite nanostrutturazione controllata è mirata alla lettura  del segnale FIR in ambiente  termalizzato in maniera ottimale.

Il prodotto della ricerca consisterà nella realizzazione di un dimostratore a nanostrutturazione controllata che soddisfi i requisiti di progetto e che possa essere successivamente ingegnerizzato, come detector diretto o in configurazione mixer, per applicazioni medicali, satellitari ecc.

Lo studio della radiazione elettromagnetica nella regione del terahertz (THz) è di importanza strategica in diversi settori scientifici quali: la radioastronomia, la fisica dell’atmosfera, la climatologia, la medicina, la diagnostica genetica ma anche in campo militare e difensivo. Alcuni dei dispositivi sviluppati negli ultimi anni sono oggi obsoleti ed è necessario lo sviluppo di nuove soluzioni soprattutto per quanto riguarda la ricerca di nuovi materiali che superino i limiti di prestazioni dei dispositivi oggi in uso.

Questo progetto si propone di fornire un contributo innovativo al miglioramento dei dispositivi a superconduttore per la rivelazione di fotoni nel THz. I detector realizzati con materiali superconduttivi presentano diversi vantaggi rispetto all’attuale tecnologia basata sui semiconduttori: tempi di risposta del picosecondo, basso consumo energetico, larga banda nella regione del THz, bassissimo rumore. L’YBCO in particolare offre la possibilità di lavorare a temperature facilmente raggiungibili con cryo-cooler mantenendo i parametri di sensibilità e di rumore richiesti dalle applicazioni, inoltre è dotato di robustezza meccanica e stabilità chimica.

L’ottimizzazione della risposta bolometrica nella banda FIR del sensore YBCO sarà perseguita mediante la creazione di un’alternanza di zone nanostrutturate/ vergini tramite irradiazione micro-collimata con ioni pesanti ad alta energia (HEHI) [A. Rovelli, E. Mezzetti et al., Nucl. Instr. Meth. B, 240 (2005) 842]  (http://www.polito.it/ricerca/superconductivity/Irradiations). Tale tecnica di nanostrutturazione permette infatti di ottenere la modulazione localizzata della corrente critica nel materiale superconduttivo a causa dell’introduzione di difetti nel materiale stesso e dello strain strutturale generato dall’impiantazione degli ioni nel substrato. I vantaggi della nanostrutturazione sono molteplici: (1) aumento della sensibilità nella risposta FIR delle zone irradiate di YBCO, in termini di responsivity; (ii) temperature di lavoro nel range 68-77K; (iii) contenimento del rumore Johnson attraverso la costituzione di banchi superconduttivi non irradiati; (iv) diffusione dell’hot-spot a tutta l’area sensibile mediante ottimizzazione del confinamento micrometrico dell’irradiazione; (v) aumento della velocità operativa dei futuri dispositivi.