Plan de desarrollo

De Bajas Temperaturas
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Versión: 2018/10/22

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Antecedentes

El comienzo de la División Bajas Temperaturas (DBT) se remonta a la década de 1960, cuando se decidió su formación como una de las primeras en el entonces Instituto de Física/Planta Experimental de Altas Temperaturas. A lo largo de los años se ha especializado en la medición e interpretación de propiedades termodinámicas y de transporte en materia condensada en función de temperatura y con campo magnético aplicado. En particular, pero no limitándose a ello, se han estudiado las propiedades de materiales superconductores (SC) y de sistemas con electrones fuertemente correlacionados (SCES). La DBT es un referente internacional con contribuciones altamente reconocidas en el entendimiento de las propiedades físicas de la materia blanda de vórtices en superconductores de alta temperatura crítica, de las propiedades electrónicas de los fermiones pesados y de propiedades de líquidos cuánticos.

El rango de temperaturas donde se han medido y se miden propiedades fue evolucionando en el tiempo. Actualmente cubre desde milésimas de grado Kelvin hasta temperatura ambiente. En cuanto a campo magnético se pueden aplicar hasta 18 Teslas.

Durante la última década, también dentro de las actividades de la DBT, se desarrollaron líneas relacionadas al diseño y desarrollo de dispositivos superconductores y semiconductores, a la microelectrónica y sistemas de procesamiento de señales para implementar prototipos de dispositivos para uso tecnológico, a sensores de radiación infrarroja, ionizante y neutrónica, y a transductores basados en sistemas mecánicos micromaquinados (MEMS).

Tradicionalmente se han brindado consultorías y apoyo técnico en problemas de criogenia a la institución madre CNEA, a CONICET, a Universidades y a empresas del ámbito estatal y privado. Esta vasta experiencia le ha permitido a la DBT incursionar asimismo en el área tecnológica. En este tipo de actividades se pueden mencionar: Recientemente, a través de un PDTS CNEA-CONICET-LaTeAndes se ha desarrollado un magnetómetro SQUID para medición de remanencia natural de muestras geológicas con aplicación en la prospección para la industria petrolífera.

Comenzando en 2014 a solicitud de INVAP y de Proyecto LASIE se desarrolló un protocolo para la producción de para-hidrógeno. Actualmente se abastece sistemáticamente al proyecto LASIE de este gas, indispensable para la realización de dicho proyecto.

A partir de desarrollos realizados en la DBT se generó una empresa de base tecnológica para producir viscosímetros micro maquinados con aplicaciones médicas. Adicionalmente, a lo largo de los años la DBT ha dado apoyo edilicio, material, de equipamiento, y/o de RRHH al surgimiento de nuevas divisiones y departamentos como Propiedades Ópticas, Física Forense, Física Médica, Dispositivos y Sensores, INN.

En el área docente, los profesionales de la DBT han tenido y tienen una importante dedicación a las actividades de formación de RRHH de grado, postgrado y extensión del Instituto Balseiro. En la historia de la DBT, han obtenido su título de Licenciado y/o Magíster 69 estudiantes y su título de Doctor en Física 57 estudiantes. Todos los profesionales de la DBT han realizado estadías de perfeccionamiento en otros sistemas científico-tecnológicos, y en muchos casos mantienen colaboraciones con profesionales de estos sistemas. Esto conlleva al intercambio de expertos periódico y frecuente.

Estado actual

La capacidad de respuesta de la DBT a distintos actores dentro de las áreas de investigación y desarrollo, se debe a que sus líneas de trabajo se han desenvuelto históricamente con alta flexibilidad e independencia. El funcionamiento de la DBT se basa en la articulación de i) capacidades de medición en bajas y muy bajas temperaturas; ii) capacidad de fabricación de materiales monocristalinos, películas delgadas y superredes, materiales nanoestructurados y materiales policristalinos; iii) líneas de investigación en las propiedades físicas básicas de la materia condensada; iv) capacidad de diseño de dispositivos con potencial aplicación tecnológica. Las líneas temáticas de investigación actuales pueden clasificarse en:

  • propiedades magnéticas, de transporte eléctrico y térmico, y superconductoras a bajas y muy bajas temperaturas de sistemas electrónicos fuertemente correlacionados: nuevos superconductores, compuestos de tierras raras, fermiones pesados, puntos críticos cuánticos.
  • propiedades electrónicas de sistemas topológicos.
  • propiedades electrónicas normales y superconductoras de sistemas en base a calcogenuros.
  • propiedades estructurales, magnéticas, termodinámicas y dinámicas de sistemas de materia blanda: cristales y nanocristales de vórtices en superconductores.
  • propiedades electrónicas y transporte cuántico de sistemas nanoscópicos y mesoscópicos.
  • búsqueda de nuevos materiales para uso tecnológico y diseño de dispositivos heterogéneos nanoestructurados en base a los mismos.
  • desarrollo de aplicaciones, dispositivos, equipamientos y procesos que involucren de manera sustantiva el uso de tecnologías criogénicas.
  • diseño, construcción y caracterización de detectores de radiación de tecnología CMOS y CCD

Desde el punto de vista de las capacidades técnicas, la DBT impulsa el estudio de las propiedades de los materiales a muy bajas temperaturas, para cuyo fin se incorporó un criostato de dilución y la electrónica asociada. Las instalaciones experimentales de la DBT incluyen:

  • equipamiento para realizar mediciones de propiedades termodinámicas, magnéticas y de transporte en condiciones extremas de temperatura y campo magnético, implementadas con un alto grado de desarrollo propio. Rango de temperatura accesible de 50 mK a 400 K. Rango de campo magnético de 0 a 18 Tesla. Propiedades factibles de ser medidas: calor específico, conductividad eléctrica y térmica, poder termoeléctrico, efecto Nernst, efecto Hall, magnetización y susceptibilidad magnética, efectos magneto-calóricos, expansión térmica y magnetostricción, propiedades magnéticas locales (arreglos de micro-sondas Hall) y estructurales (decoración magnética) de la materia de vórtices en superconductores tipo II, campos críticos superconductores, corriente crítica y longitud de penetración.
  • equipamiento para la fabricación y caracterización de muestras en bulto policristalinas y monocristalinas, películas delgadas metálicas, de óxidos y de calcogenuros, superredes de esos mismos materiales y muestras nanoestructuradas por litografías.

Aparte de las actividades de investigación, la DBT, como parte de sus actividades rutinarias y para poder llevar adelante sus líneas de investigación, es responsable por:

  • la operación y mantenimiento de la Planta de Producción de Líquidos Criogénicos sita en la misma División;
  • la operación, mantenimiento y administración de uso de las máquinas de sputtering sitas en la Sala Limpia del INN.

Planificación a futuro

Objetivos generales

  • Mejorar los rangos de medición en temperatura y campo magnético. Aumentar la sensibilidad de las mediciones. Incrementar el número de propiedades que se pueden medir. *Incorporar la medición de propiedades espectroscópicas y a nivel local.
  • Mejorar las capacidades de fabricación de materiales a través de la incorporación de nuevas técnicas.
  • Participar en el diseño, construcción y prueba de sensores de radiación y de circuitos integrados para uso criogénico.
  • Desarrollar y/o colaborar en el diseño de sistemas de medición criogénico y/o sistemas de refrigeración criogénica.

Objetivos particulares

Para los próximos años, la DBT desea reforzar las líneas de investigación en las que se encuentra trabajando, e incorporar algunas nuevas. Un listado de estas líneas es:

  • Propiedades electrónicas y magnéticas a escala microscópica en nuevos superconductores: relevancia de transiciones estructurales para el establecimiento de superconductividad, competencia o cooperatividad de modos colectivos magnéticos con la superconductividad, superconductores topológicos.
  • Propiedades termodinámicas, magnéticas y estructurales de materia blanda nanocristalina (nanocristales de vórtices). Cambios de orden de transiciones de fase inducidos por desorden utilizando a la materia de vórtices en superconductores de alta temperatura como sistema modelo.
  • Propiedades termodinámicas, magnéticas y estructurales de compuestos de tierras raras. Propiedades magnetocalóricas de fermiones pesados aplicables a refrigeración por desmagnetización adiabática para uso satelital.
  • Estudio de propiedades electrónicas de sistemas semimetálicos topológicos a muy bajas temperaturas, mediante técnicas macroscópicas (transporte y magnetización) y espectroscópicas (ARPES).
  • Crecimiento y caracterización de las propiedades físico-químicas de películas superconductoras ultradelgadas con potencial aplicación en sensores de radiación.
  • Diseño, construcción y caracterización de sensores de radiaciones bolométricos y espectroscópicos de tecnología criogénica.
  • Desarrollo de circuitos integrados de bajo consumo que funcionen a temperaturas criogénicas y estudio de características de los dispositivos a esas temperaturas.
  • Desarrollo de equipamientos y procesos que impliquen la utilización de tecnologías criogénicas.

Para que el plan sea factible, para que se pueda responder de forma eficiente a la dinámica impuesta por la aparición de nuevos materiales y necesidades locales de apoyo técnico, y para cubrir las vacantes que aparecerán con la próxima jubilación de 2 investigadores, es necesario incorporar a la DBT en los próximos 5 años un mínimo de 3 investigadores formados con una sólida trayectoria en investigación básica y/o aplicada. Se priorizará la experiencia adquirida en estadías posdoctorales en grupos de investigación destacados del exterior. Por lo tanto se requiere la incorporación de:

  • al menos 2 expertos en técnicas de medición de propiedades físicas de materiales a bajas y/o muy bajas temperaturas, con interés en participar o conducir líneas de investigación en el rango de temperaturas por debajo de 4K.
  • al menos 1 experto en fabricación de muestras, preferentemente con experiencia en síntesis de monocristales de alta calidad y/o nanoestructuración.

Los investigadores que cuenten con esta formación podrán insertarse en alguna de las líneas temáticas desarrolladas en el laboratorio, o eventualmente introducir nuevas líneas de investigación de bajas temperaturas asociadas a la materia condensada. La visita de expertos en temas afines a nuestro laboratorio será propiciada para establecer colaboraciones, para una frecuente actualización de nuestras líneas de investigación y lograr una mayor exposición de nuestro trabajo que devendrá en mayor impacto en la comunidad nacional e internacional. Conjuntamente con este plan para reforzar las capacidades de investigación es indispensable adecuar ediliciamente las instalaciones. Para ello se cuenta con un proyecto de remodelación de las instalaciones, ya aprobado por las autoridades del CAB, que se planea ejecutar a través de un BAPIN, actualmente operativo como la Actividad 078.


--MGB (discusión) 09:54 23 oct 2018 (-03)