Caracterización óptica de BSCCO, un material 2D superconductor de alta temperatura
07.05.2024
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Escala de color que muestra el color aparente según el grosor de los copos exfoliados de BSCCO. Imagen: Ignacio Figueruelo. |
- Investigadores de IMDEA Nanociencia presentan un estudio sistemático de las propiedades ópticas de un material 2D superconductor a alta temperatura.
- El estudio aporta una nueva escala que relaciona el color de las finas capas de este material con su espesor nanométrico.
- Los investigadores demuestran que son técnicas rápidas y no invasivas para estudiar materiales sensibles al aire, que se oxidan o cambian su composición al estar expuestos a condiciones ambiente.
- Los resultados son una guía para la fabricación de dispositivos por capas, tipo ‘van der Waals’, que incluyan superconductores 2D.
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Madrid, 7 de mayo, 2024. Los materiales bidimensionales (2D) son de gran interés por sus propiedades, muy diferentes a las de sus correspondientes materiales masivos (bulk). Estos materiales, que pertenecen a la familia de los materiales cuánticos, pueden presentar superconductividad, fases topológicas o estados electrónicos correlacionados, todas ellas propiedades exóticas de gran interés que hacen de los materiales 2D un lugar idóneo para estudiar fenómenos cuánticos. Los materiales 2D pueden ser preparados por exfoliación, técnica ‘low-cost’ en la que los investigadores extraen finos copos pegando una cinta adhesiva en un trozo más grueso de material. La caracterización de los materiales 2D preparados mediante esta técnica de exfoliación es compleja. En algunos casos es difícil conocer su espesor o el número de capas monoatómicas que tiene sin alterar el material. Además, los copos exfoliados tienen unas dimensiones laterales muy pequeñas, que los hace difícilmente manipulables, y esto hace que su caracterización sea costosa en términos de tiempo.
El Grupo de ‘Transporte en Materiales Cuánticos’ de IMDEA Nanociencia, dirigido por la Dr. Mariela Menghini, ha realizado un estudio sistemático de un material 2D con un alto potencial para fabricar estructuras complejas que incorporen materiales superconductores. Se trata del compuesto BSCCO, un óxido complejo que presenta superconductividad a ‘alta temperatura’. Comúnmente, los materiales superconductores deben ser enfriados cerca de los 0 K, el cero absoluto de temperatura, para observar su superconductividad. Sin embargo, este material BSCCO presenta superconductividad a una temperatura tan alta como 90 K, lo que le hace un candidato atractivo para fabricar dispositivos superconductores que operen a temperatura de nitrógeno líquido, y por lo tanto que consuman menos energía.
El BSCCO es un compuesto cuaternario, formado por 4 elementos – bismuto, estroncio, calcio y cobre – más oxígeno; es, por tanto, un oxido complejo, y cuya fórmula química se escribe Bi2Sr2CaCu2O8+d. En los materiales superconductores típicos, como plomo o mercurio, el mecanismo de superconductividad se conoce bien. Sin embargo, en el BSCCO el mecanismo de superconductividad es aún desconocido. Para poder estudiar en detalle las propiedades de un material 2D, éste debe ser bien caracterizado: qué dimensión lateral, cuántas capas, y qué espesor tienen. Actualmente, existen técnicas para medir el espesor de los materiales 2D; el problema con el BSCCO radica en que es muy sensible a las condiciones ambiente y su manipulación al aire le hace perder sus propiedades superconductoras.
El trabajo liderado por Mariela Menghini e Ignacio Figueruelo, publicado en la revista 2D Materials, propone utilizar una propiedad observable a simple vista –con un microscopio óptico- para caracterizar los copos de BSCCO. Los investigadores se valen del color aparente de los copos del material 2D para obtener su espesor. En general, el color de los materiales voluminosos tiene que ver con su espectro de absorción de la luz. Pero en materiales con espesor nanométrico, otros factores como la interferencia de la luz juegan un papel crucial en su color aparente. Es por ello, que el grupo ha estudiado y elaborado una escala de color, un arcoíris, que relaciona directamente el color aparente del BSCCO con su espesor.
El estudio aporta una nueva escala que relaciona el color de las finas capas de este material con su espesor nanométrico
Además de la escala de color, el grupo ha conseguido obtener el índice de refracción microscópico del BSCCO, que no se conocía hasta el momento, y es un parámetro crucial a la hora de implementarlo en sistemas ópticos. Esta caracterización óptica completa ha permitido a los investigadores crear una carta de la que se puede obtener la longitud de onda (color) de la luz que es óptima para observar con mayor contraste capas individuales de BSSCO según el espesor del sustrato de silicio que soporta a este material 2D.
La caracterización del material BSCCO ha incluido también el estudio de su espectro Raman. Los modos de vibración de la estructura cristalina, evidenciados en el espectro Raman, se han “endurecido” para los copos más finos, y los autores justifican el hecho aludiendo a tensiones internas en el material exfoliado sobre el sustrato, y también a deformaciones causadas al exfoliar el mismo.
Al combinar distintos materiales 2D con un apilamiento vertical surge una plétora de oportunidades apasionantes. Estas heteroestructuras se mantienen unidas mediante fuerzas débiles de van der Waals y posibilitan más combinaciones que cualquier método convencional de crecimiento. Combinar lo mejor de distintos materiales para obtener el dispositivo definitivo es una idea atractiva, aunque su puesta en práctica sea un desafío considerable. Con este estudio, los investigadores de IMDEA Nanociencia dan un paso más allá, facilitando la caracterización de los materiales por su color a simple vista, y constituyendo una guía para la fabricación de materiales por capas tipo ‘van der Waals’ que incluyan superconductores 2D.
El estudio es una colaboración entre investigadores de IMDEA Nanociencia, la Universidad Complutense de Madrid, el Instituto de Cerámica y Vidrio (CSIC) y el Centro Atómico de Bariloche (Argentina), y ha sido parcialmente financiado por el sello de Excelencia Severo Ochoa otorgado a IMDEA Nanociencia (2017 y 2021).
Referencia:
Ignacio Figueruelo-Campanero, Adolfo del Campo, Gladys Nieva, Elvira M González, Aida Serrano and Mariela Menghini. 2D Mater. 11 025032 (2024). DOI: 10.1088/2053-1583/ad349e
https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3602
Contacto:
Dr. Mariela Menghini
mariela.menghini[at]imdea.org
Group webpage: Transport in Quantum Materials Group
Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Twitter: @imdea_nano
Facebook: @imdeananociencia
Instagram: @imdeananociencia
Fuente: IMDEA Nanociencia.