Procedimiento y termómetro para medir bajas temperaturas.

La invención describe un procedimiento para medir bajas temperaturas empleando una unión NIS que comprende un electrodo superconductor y un electrodo normal separados por una capa aislante,

donde el electrodo superconductor sigue la teoría BCS, que comprende las siguientes operaciones: aplicar entre el electrodo superconductor y el electrodo normal una tensión comprendida entre 0,95{dl} y 1,05{dl}; medir la intensidad que atraviesa la unión NIS, siendo la temperatura sustancialmente proporcional a dicha intensidad; y emplear la función polinómica:**IMAGEN**, según la cual es posible obtener la temperatura a partir del valor de intensidad medido. Además, se describe un termómetro que funciona de acuerdo con este procedimiento.

Procedimiento y termómetro para medir bajas temperaturas.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento y un termómetro primario para medir bajas temperaturas. El termómetro está basado en una unión NIS que presenta una sensibilidad sustancialmente constante a muy bajas temperaturas, permitiendo realizar medidas muy precisas en temperaturas cercanas al cero absoluto.

Antecedentes de la invención

La termometría a temperaturas cercanas e inferiores a la temperatura de licuación del helio (4,2 K) presenta actualmente gran interés, ya que es necesaria en campos tan dispares como la ciencia de los materiales, química, nanotecnología, semiconductores y astrofísica. Normalmente, los sensores más utilizados en este rango de temperaturas son termómetros secundarios de resistencia, que deben ser calibrados previamente con termómetros primarios cuyo parámetro termométrico sigue una ley conocida.

Sin embargo, aunque son más adecuados los termómetros primarios, la mayoría de ellos presenta dificultades para cumplir con los requerimientos de los experimentos más comunes. Actualmente existen varios tipos de termómetros primarios en el rango de temperaturas descrito. Dos de ellos son especialmente relevantes para esta invención: el sensor de bloqueo de Coulomb o Coulomb blockade en inglés (K. Hirvi, J. Kauppinen y M. Aplanen, Phys. Rev. Lett. 73, 2903, 1994) y el sensor de ruido de disparo o shot noise en inglés (A. Caseya, B.P. Cowana, H. Dyballa, J. Lia, C.P. Lusher, V. Maidanov, J. Nyekia, J. Saunders y D. Shvartsa, Physica B 329-333, 1556, 2003). Sin embargo, estos termómetros aún presentan inconvenientes que limitan en gran medida su aplicación.

Por otro lado, son conocidas también las uniones NIS, que se suelen emplear en la fabricación de bolómetros (A. Lee, P. Richards, S. Nam, B. Cabrera y K. Irwin, Appl. Phys. Lett. 69, 1801, 1996) o para microrefrigeración (Microrefrigeration by normal-metal/insulator/superconductor tunel functions, M. M. Leivo, A. J. Manninen y J. P. Pekola, Applied Superconductivity vol. 5, Nos 7-12, pp. 227-233, 1998).

Descripción de la invención

Un aspecto importante de un termómetro es su sensibilidad α (definiéndose α en un termómetro de resistencia como 2 donde R es el parámetro termométrico). Idealmente se requiere que α no varíe mucho con la temperatura, es decir, que la variación del parámetro termométrico correspondiente a una cierta variación de la temperatura sea aproximadamente constante en todo el rango útil del termómetro. Si la sensibilidad α es baja evidentemente el termómetro no es bueno, pero tampoco es adecuado que la sensibilidad α sea demasiado alta, ya que en ese caso se obtendría un rango útil de temperaturas pequeño.

Los solicitantes de la presente solicitud de patente han descubierto que se puede conseguir que la relación entre la intensidad que atraviesa una unión NIS y la temperatura a la que se encuentra dicha unión tenga una variación sustancialmente constante en función de la temperatura -para un amplio rango de temperaturas por debajo de la temperatura de licuación del helio. Para que esto ocurra, es necesario que el electrodo superconductor siga la teoría Bardeen Cooper Schrieffer (BCS), y además aplicar entre los electrodos superconductor y normal un voltaje cercano al gap superconductor del electrodo superconductor.

El motivo de este comportamiento se describe a continuación. Es bien conocido que la intensidad túnel que aparece en una unión NIS cuyo electrodo superconductor sigue la teoría BCS depende únicamente de la densidad de estados del superconductor desplazada según el voltaje aplicado N(E - eV), del gap superconductor Δ y del redondeo térmico dado por la dependencia en función de la temperatura de la diferencia entre las funciones de Fermi f(E - eV) y f(E):

donde N(E) se obtiene de:

Estas ecuaciones [1] y [2] muestran que las variaciones de la intensidad túnel cuando se aplica un voltaje dado, o del voltaje con una intensidad dada, son muy fuertes. Esto proporciona una lectura primaria de la temperatura, ya que el gap superconductor y la resistencia de la unión NIS se pueden determinar independientemente. Sin embargo, la sensibilidad tiene una dependencia compleja con la temperatura, además de depender del modo en que se excita la unión. Si la unión NIS se excita aplicando un voltaje V, se obtiene que cuando V < Δ la intensidad túnel cae exponencialmente a 0 por debajo de una cierta temperatura, de modo que 5 depende fuertemente de T. Por otro lado, si V > Δ es relativamente fácil deducir de las ecuaciones que α será pequeño y además que tendrá una fuerte dependencia con la temperatura. Se obtienen las mismas conclusiones si se excita una unión NIS con una determinada intensidad I.

A pesar de este comportamiento aparente de las uniones NIS, y en contra de la opinión establecida, los solicitantes de la presente invención han descubierto que aplicando una determinada tensión V a la unión NIS se obtiene un termómetro primario cuya sensibilidad α se mantiene aproximadamente constante durante un rango de temperaturas que cubre varios órdenes de magnitud por debajo de T_c (la temperatura crítica del electrodo superconductor de la unión NIS). Esto permite fabricar de manera relativamente sencilla un termómetro primario fácil de utilizar en un amplio rango de bajas temperaturas.

Efectivamente, se pueden resolver las ecuaciones [1] y [2] utilizando en la integración un intervalo de energía lo suficientemente ancho (alrededor de 100 meV) junto con un paso de integración adecuado, de aproximadamente 10^-7 meV. Se introduce también la dependencia con la temperatura del gap superconductor establecida por la teoría BCS:

donde hω_D approx 25 meV y Δ = 1 meV, y donde Δ es el gap superconductor en el cero absoluto. Extrayendo una serie de curvas de t(i) 7 para diferentes tensiones de excitación, y analizando en particular el comportamiento cercano al gap superconductor Δ, se obtienen las curvas de las figuras 1 y 2. La figura 1 representa la temperatura normalizada con la temperatura crítica T_c frente a la intensidad que atraviesa la unión NIS normalizada con la intensidad correspondiente a la temperatura crítica T_c. La figura 2 representa la sensibilidad del termómetro frente a la temperatura normalizada con la temperatura crítica T_c. En ambos casos se han representado, desde arriba hasta abajo, las curvas correspondientes a las tensiones V = 0,95 Δ, 0,97 Δ, 0,99 Δ, 1,00 Δ, 1,01 Δ, 1,02 Δ, 1,03 Δ, 1,04 Δ y 1,05 Δ.

Se aprecia en la figura 1 que para voltajes de excitación por debajo de Δ, la corriente túnel aumenta exponencialmente desde cero a muy bajas temperaturas. Por ejemplo, para V = 0,95 Δ, y entre 0,02T_c y 0,05T_c, i varía dos órdenes de magnitud, de modo que a aumenta fuertemente por debajo de 0,05T_c. Para T>0,05T_c, t(i) proporciona una sensibilidad α aproximadamente independiente de la temperatura. A medida que los voltajes de excitación se acercan más a Δ, aumenta el rango de temperaturas donde α permanece aproximadamente constante a temperaturas más bajas. Sin embargo, este aumento no es muy significativo, ya que es proporcional a V - Δ. Por tanto, la precisión al fijar el voltaje de excitación determina el rango de temperaturas en el que la sensibilidad α es aproximadamente independiente de la temperatura.

Sin embargo, para voltajes por encima de Δ t(i) este comportamiento es completamente diferente. Cuando los voltajes están cerca de Δ las curvas son suaves. La sensibilidad α es muy cercana a 1 en un rango de temperaturas muy amplio. Sin embargo, para bajas temperaturas t(i) se vuelve multivaluado, como se aprecia...

1. Procedimiento para medir bajas temperaturas empleando una unión NIS (2) que comprende un electrodo superconductor (2a) y un electrodo normal (2c) separados por una capa aislante (2b), donde el electrodo superconductor (2a) sigue la teoría BCS, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

aplicar entre el electrodo superconductor (2a) y el electrodo normal (2c) una tensión comprendida entre 0,95 Δ y 1,05 Δ,

medir la intensidad que atraviesa la unión NIS (2), siendo la temperatura sustancialmente proporcional a dicha intensidad, y

emplear la función polinómica: 11 según la cual es posible obtener el valor de la temperatura a partir del valor de intensidad medido.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, donde los coeficientes (a₀, ..., a₁₄) de la función polinómica correspondientes a una tensión de 1,01 Δ tienen los siguientes valores:

3. Termómetro (1) para medir bajas temperaturas, caracterizado porque comprende:

una unión NIS (2) que comprende un electrodo superconductor (2a) y un electrodo normal (2c) separados por una capa aislante (2b), donde el electrodo superconductor (2a) sigue la teoría BCS;

una fuente de tensión (3) conectada entre el electrodo superconductor (2a) y el electrodo normal (2c), que aplica una tensión comprendida entre 0,95 Δ y 1,05 Δ; y

un medio de medida de intensidad (4), que mide la intensidad que atraviesa la unión NIS (2), siendo la temperatura proporcional a dicha intensidad.

4. Termómetro (1) de acuerdo con la reivindicación 3, donde el electrodo superconductor (2a) está fabricado de Pb, Al, Sn, Nb, W, o de aleaciones de Mo-Ge o de Mo-Si.

5. Termómetro (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-4, donde la capa aislante (2b) está formada por vacío.

6. Termómetro (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-4, donde la capa aislante (2b) está formada por un óxido.

7. Termómetro (1) de acuerdo con la reivindicación 6, donde el óxido es Al₂O₃.