Un estudiante predoctoral del CAB, galardonado en el Certamen Arquímedes 2017

El Certamen Universitario Arquímedes tiene como objetivo
fomentar el espíritu investigador de los jóvenes estudiantes universitarios
mediante la concesión de premios a trabajos de investigación finales de Grado y
Máster a nivel nacional. Este año se celebró la XV edición del Certamen, con un
total de 350 trabajos de investigación de un total de 49 universidades españolas,
y en todas las áreas del conocimiento, comprendiendo Humanidades y Ciencias
Sociales; Ciencias Experimentales, Exactas y Ambientales; Ciencias Biológicas y
Biomédicas e Ingenierías y Arquitectura.



El trabajo de investigación de Víctor Román, supervisado por
Alicia Gómez Gutiérrez, investigadora postdoctoral del CAB, fue seleccionado
para participar en la fase final bajo el título "Fabricación y
Caracterización de Detectores de Inductancia Cinética para Astronomía
milimétrica y sub-milimétrica" por la Universidad Autónoma de Madrid, en
base al Máster "Física de la Materia Condensada y de los Sistemas
Biológicos", que fue elaborado durante el curso académico 2015-2016.



La fase final del Certamen se celebró los pasados días 20 21
y 22 de febrero. En ellos, los 25 seleccionados defendieron sus respectivos
trabajos de investigación en un entorno multidisciplinar, muy fructífero en lo
técnico y en lo social. El trabajo de Víctor Román recibió el segundo premio en
el área de Ciencias Experimentales, Exactas y Ambientales.



En este trabajo, que constituye la Tesis Final de Máster, se
desarrolla un nuevo tipo de detectores de radiación, muy prometedores para su
uso en futuras misiones espaciales y telescopios terrestres. Estos detectores,
llamados KIDs (del inglés Kinetic
Inductance Detectors, detectores de inductancia cinética), se basan en las
propiedades físicas de los materiales superconductores. Cuando la temperatura
de un sistema físico se reduce lo suficiente, alcanzando valores del orden de
un kelvin (-272ºC), los efectos cuánticos de la materia pueden llegar a hacerse
macroscópicos, esto es, visibles a simple vista. Esto es lo que ocurre en un
material superconductor cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica.
En el estado superconductor, estos materiales son capaces, entre otras cosas,
de conducir una corriente eléctrica sin disipación de calor, por lo que tiene
un indudable potencial tecnológico.



La explicación microscópica de un superconductor fue
propuesta por John Bardeen, Leon Cooper, y John Robert Schrieffer en 1957,
motivo por el que recibieron el premio Nobel de Física en 1972. Según esta
teoría, en un material superconductor los electrones, que portan la carga
eléctrica y que en un metal normal se moverían como entidades individuales, se
mueven sin embargo en parejas, conocidas como pares de Cooper, pudiendo
entonces fluir sin disipación por la red cristalina del material.



La luz, por su parte, está compuesta por unas partículas
llamadas fotones. Si ahora iluminamos un material superconductor, podemos
imaginar cómo estos fotones colisionan con los pares de Cooper que se mueven en
el superconductor. Si los fotones incidentes son lo suficientemente
energéticos, podrán romper el enlace de los pares, separando los electrones,
que volverán a convertirse en entidades individuales. Parece razonable pensar
entonces que la incidencia de la luz cambiará las propiedades físicas del
superconductor. Si conseguimos medir alguno de estos cambios de manera precisa,
tendremos un sistema de detección de luz, y podremos construir toda una nueva
generación de detectores muy precisos a partir de estos materiales.



En los detectores de inductancia cinética (KIDs), la
propiedad física que hace de piedra angular en la detección es la inductancia
cinética, de la que toman el nombre los dispositivos. Para construir un KID, se
fabrica un circuito eléctrico con una inductancia que puede ser medida con
mucha precisión. Si el material del circuito es superconductor, una fracción
considerable de esta inductancia es de tipo cinético, por lo que será sensible
a la incidencia de la radiación. La medición precisa de la inductancia de estos
circuitos permite detectar señales extremadamente débiles de radiación
infrarroja y de microondas con una precisión que no ha sido posible alcanzar
antes con ninguna otra tecnología.



Este tipo de radiación es muy interesante desde un punto de
vista astrofísico. La medida precisa del Fondo Cósmico de Microondas, por
ejemplo, permitiría un avance considerable en el estudio del origen del universo.
Por este motivo ya existe una misión espacial propuesta a la Agencia Espacial
Europea (ESA), denominada COrE (Cosmic
Origins Explorer), cuyo objetivo es medir el Fondo Cósmico con este tipo de
detectores. El estudio de la formación estelar y galáctica también se
beneficiarían del desarrollo de estos detectores, como también lo haría la
formación planetaria, crucial para entender la aparición de vida fuera de
nuestro planeta. En general, el rango de aplicaciones de este tipo de
dispositivos se ampliará en el futuro, pues el tipo de radiación a la que estos
sensores son sensibles podrá modificarse según el diseño del superconductor.



Dentro del trabajo de investigación premiado se ha llevado a
cabo el proceso completo de fabricación de los detectores en el
IMDEA-nanociencia, situado en el campus universitario de Cantoblanco. Una
característica importante de estos detectores es su reducido tamaño: el
circuito tiene del orden de unas cuantas micras de ancho (un pelo humano, por
ejemplo, tiene un grosor medio de 100 micras) y unos pocos nanometros de alto
(1 nanometro es la millonésima parte de un milímetro). Se requieren, por tanto,
técnicas de nanotecnología en sala blanca para su fabricación.



La temperatura típica de funcionamiento de estos
dispositivos es de unos 100 mK (-273ºC), muy cercana al cero absoluto, por lo
que la criogenia fue una parte fundamental del trabajo. Para ello se ha usado
un criostato de dilución de 3He/4He capaz de alcanzar los 10 mK de temperatura
base.



El criostato se encuentra en el CAB, y en él se ha realizado
toda la caracterización a bajas temperaturas de los dispositivos fabricados.



En el trabajo se ha conseguido avanzar en el desarrollo de
la tecnología necesaria para construir KIDs y se han realizado con éxito
diferentes diseños de detectores con distintos propósitos astrofísicos,
midiéndose sus características físicas más relevantes.



Este trabajo constituye un importante punto de partida en un
prometedor campo de estudio en el desarrollo de este tipo de sensores que en el
futuro irán a bordo de misiones espaciales o serán instalados en telescopios
terrestres. El premio Arquímedes supone, además de un evidente reconocimiento
personal y colectivo por el trabajo realizado, un importante impulso para
continuar con el desarrollo de instrumentación espacial en el CAB.

 

Fuente: UCC-CAB

 

Imágenes adicionales:

Galardonados Certamen Arquímedes 2017
Galardonados Certamen Arquímedes 2017
 
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