Artículo destacado enero-marzo 2018: Nanolitografía avanzada para crear materiales superconductores 3D

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria  correspondiente a artículos publicados entre enero y marzo de 2018.

Por Rosa Córdoba.

El trabajo propuesto abre una nueva vía de investigación en el campo de la nanociencia y la nanotecnología: la fabricación de nanotubos superconductores fuera del plano (3D). Por medio de ello se impulsará el diseño de nuevos patrones para el desarrollo de dispositivos superconductores 3D más complejos y energéticamente más eficientes.

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(a) Dibujo del método de fabricación de nanohilos huecos fuera del plano, denominado crecimiento inducido mediante un haz focalizado de iones de He+ (He+ FIBID, en inglés). (b) Gráfica de la resistencia eléctrica normalizada en función de la temperatura. El recuadro de la izquierda es una imagen de microscopía electrónica de transmisión de la sección transversal de un nanohilo, en la cual se puede apreciar el hueco de 5-6 nm en el centro del mismo. El recuadro de la derecha es una imagen coloreada de microscopía electrónica de barrido de un nanohilo hueco (en verde) colocado sobre una superficie y contactado mediante cuatro nanohilos (en naranja) para el estudio de sus propiedades superconductoras mediante estudios de magnetotransporte.

Unos de los desafíos más importantes a los que se enfrenta la sociedad actual es la generación de energía segura, limpia, y eficiente. A través de este reto se pretende promover un cambio en la generación y aprovechamiento de la energía actual, principalmente basada en la explotación de recursos naturales finitos. La utilización excesiva e incontrolada de estos recursos ha generado un elevado impacto en nuestro planeta alterando ecosistemas y especies. En consecuencia, la búsqueda de nuevos paradigmas en los cuales la energía se produzca de manera sostenible y se consuma eficientemente es crucial a la par que urgente para las generaciones presentes y futuras. Además de los evidentes beneficios medioambientales, una tecnología que garantice el ahorro energético tendrá un impacto económico significativo en nuestra sociedad.

En este escenario, el desarrollo de nuevos materiales energéticamente más eficientes que se implementen en la futura micro y nanoelectrónica arrojaría algo de luz y esperanza al actual panorama energético global.

La micro y nanoelectrónica actuales se basan principalmente en procesos que disipan energía en forma de calor. La sustitución de componentes electrónicos tradicionales por materiales superconductores capaces de transportar corriente eléctrica sin pérdidas de energía, es decir, pudiendo tener una resistencia eléctrica nula, daría lugar a una electrónica energéticamente más eficiente. Sin embargo, esta propiedad solo se alcanza cuando estos materiales se encuentran por debajo de valores críticos de temperatura, corriente, y campo magnético.

Al disminuir el tamaño de estos materiales a escala nanométrica pueden emerger nuevos fenómenos físicos de interés, como el retorno a un estado de resistencia nula al aumentar el campo magnético1. Si añadimos la capacidad de fabricar estos materiales utilizando las tres dimensiones del espacio (3D, orientados verticalmente), en lugar de únicamente dos (2D, orientados horizontalmente) como se realiza de forma convencional en la actualidad, podría surgir una nueva generación de dispositivos superconductores adecuados para detección y computación cuántica, en los que se integren los nanosuperconductores 3D.

Sin embargo, la fabricación y caracterización de nanosuperconductores 3D continúan siendo grandes desafíos para el campo de la nanociencia y nanotecnología.

Utilizando técnicas de nanolitografía avanzadas y de microscopía de alta resolución, un equipo de investigadores/as del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón en colaboración con el Laboratorio de Microscopías Avanzadas – Instituto de Nanociencia de Aragón y con el Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Univ Paris Sud, Université Paris Saclay ha logrado por primera vez fabricar nanohilos huecos verticales con propiedades superconductoras, sentando las bases para crear nanosuperconductores 3D complejos 2.

Este hallazgo se ha logrado mediante el uso de un novedoso microscopio que utiliza iones de helio (en lugar de luz o electrones) que se enfocan en un punto de diámetro inferior a 1 nanómetro, lo que confiere una extraordinaria resolución lateral para fabricar nanomateriales. En el caso de los nanomateriales 2D, metafóricamente se podría decir que el haz de iones de helio es como un pincel y las moléculas precursoras son la pintura. A través del trazado del pincel se diseñan nanomateriales en una sola etapa, con forma libre y sobre superficies definidas de cualquier tipo de sustrato. Por otra parte, para producir nanomateriales 3D, el haz de iones y las moléculas precursoras actuarían conjuntamente como una nanoimpresora 3D, facilitando el diseño del material en las tres dimensiones del espacio.

Desde el enfoque de la física fundamental, los nanohilos huecos verticales representan una excelente plataforma para investigar la nanosuperconductividad y concretamente la modificación de las propiedades físicas a escala nanométrica3. Se ha averiguado que este nuevo superconductor presenta un rango de trabajo de temperatura, corriente, y campo magnético superior al de superconductores fabricados con técnicas similares. Desde la perspectiva de la física aplicada, estos nanohilos podrían ser empleados en dispositivos electrónicos superconductores4, en computación y detección cuántica como bits cuánticos superconductores5, y como moduladores de radiación en el rango de THz y sub-THz6.

  1. Córdoba, R. et al. Magnetic field-induced dissipation-free state in superconducting nanostructures. Nat. Commun. 4, 1437 (2013).
  2. Artículo destacado: Córdoba, R., Ibarra, A., Mailly, D. & De Teresa, J. M. Vertical Growth of Superconducting Crystalline Hollow Nanowires by He + Focused Ion Beam Induced Deposition. Nano Lett. 18, 1379–1386 (2018).
  3. Thurmer, D. J., Bof Bufon, C. C., Deneke, C. & Schmidt, O. G. Nanomembrane-Based Mesoscopic Superconducting Hybrid Junctions. Nano Lett. 10, 3704–3709 (2010).
  4. Clark, K. et al. Superconductivity in just four pairs of (BETS)2GaCl4 molecules. Nat. Nanotechnol. 5, 261–265 (2010).
  5.  Schoelkopf, R. J. & Girvin, S. M. Wiring up quantum systems. Nature 451, 664–669 (2008).
  6. Savinov, V., Fedotov, V. A., Anlage, S. M., de Groot, P. A. J. & Zheludev, N. I. Modulating Sub-THz Radiation with Current in Superconducting Metamaterial. Phys. Rev. Lett. 109, 243904 (2012).