Studio della componente elettronica del nanoattrito: realizzazione di un rivelatore di transizione superconduttiva compatibile con l ultra alto vuoto

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTA DI SCIENZE MM.FF.NN. CORSO DI LAUREA IN FISICA TESI DI LAUREA Studio della componente elettronica del nanoattrito: realizzazione di un rivelatore di transizione superconduttiva compatibile con l ultra alto vuoto Relatore: Prof. Giampaolo Mistura Correlatore: Prof. Lorenzo Bruschi Laureando: Francesco Dalla Longa ANNO ACCADEMICO

2 Indice Introduzione v 1 Le origini microscopiche dell attrito Un po di storia Moderne tecniche sperimentali Modello browniano Attrito fononico e attrito elettronico Osservazioni Nanoattrito su materiali superconduttori L esperimento DAK Altri risultati sperimentali Il problema della componente elettronica L esperimento NANORUB Apparato di misura Camera principale Sistema di pompaggio Sistema di baking Portacampioni Microbilancia a cristallo di quarzo (QCM) Equazione del moto Calcolo dell impedenza acustica Comportamento elettrico del quarzo Rivelatore della transizione superconduttiva Realizzazione del rivelatore Circuito oscillante Dispositivo ausiliario Apparato per le misure preliminari Criostato Termoregolazione iii

3 iv INDICE 5 Misure e analisi dei dati Configurazione Configurazione Configurazione Oscillatore Oscillatore Configurazione Conclusioni 69 A Fenomenologia della superconduttività 71 A.1 Principali proprietà dei superconduttori A.2 Equazioni di London A.3 Superconduttività nei film sottili Bibliografia 77 Ringraziamenti 81

4 Introduzione Lo studio dell attrito è una delle più antiche problematiche della fisica. L importanza di questo fenomeno deriva sia dalla sua utilità, sia dai problemi che esso comporta nella vita di tutti i giorni. Senza l attrito, azioni quali camminare, suonare un violino, guidare una macchina sarebbero impossibili; d altro canto, l energia dissipata a causa dell attrito nei sistemi meccanici determina l usura e il deterioramento degli stessi con conseguenti perdite materiali e finanziarie. Le leggi che descrivono l attrito da un punto di vista macroscopico sono note da molti secoli; tuttavia, nonostante l importante ruolo rivestito dall attrito in tutti i settori della tecnologia, ancora oggi non si conoscono con precisione i meccanismi che lo generano a livello atomico e molecolare: recenti stime indicano che, nei soli Stati Uniti d America, le perdite dovute ad una scarsa conoscenza dell attrito ammontano al 6% del prodotto interno lordo nazionale [1]. Poiché la tecnologia moderna richiede la produzione di componenti meccaniche sempre più piccole (si pensi, per esempio, alla parte hardware di un computer), l esigenza di una conoscenza approfondita del fenomeno diventa di giorno in giorno più impellente: la miniaturizzazione delle parti meccaniche comporta, infatti, un incremento del rapporto superficie-volume delle stesse, e di conseguenza assumono un importanza cruciale tutti i fenomeni di interfaccia, come, appunto, l attrito e l usura. Nell ultimo ventennio si sono fatti molti progressi nello studio dell attrito, grazie all avvento di nuove tecniche sperimentali (quali l apparato a forza di superficie, il microscopio a forza d attrito e la microbilancia al cristallo di quarzo) e computazionali. Inoltre, i progressi nella tecnologia dell ultra alto vuoto (UHV) hanno permesso la produzione di supefici cristalline molto ben caratterizzate, e quindi particolarmente adatte allo studio dell attrito di oggetti di dimensioni nanoscopiche (ovvero allo studio della moderna nanotribologia). Parallelamente ai progressi sperimentali e computazionali, sono stati sviluppati diversi modelli teorici per spiegare l origine dell attrito da un punto di vista microscopico; i modelli più accreditati sostengono che la forza d attrito abbia due componenti: una di origine fononica, l altra di origine elettronica [2]. In particolare, sulla componente elettronica non c è un generale consenso fra i teorici, anzi alcuni gruppi dubitano dell osservabilità di contributi all attrito legati agli elettroni [16]. v

5 vi Introduzione Nel 1998 Jacqueline Krim e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microbilancia al cristallo di quarzo per misurare la forza d attrito di un monolayer di azoto su un substrato di piombo in corrispondenza della transizione superconduttiva del metallo, allo scopo di mettere in evidenza la componente elettronica dell attrito [3]. L esperimento della Krim ha evidenziato una brusca variazione della forza d attrito in corrispondenza della transizione superconduttiva del piombo. Tale risultato si è rivelato di difficile interpretazione dal punto di vista teorico [4]; inoltre, i tentativi di Taborek e collaboratori di ripetere l esperimento hanno dato esito negativo [5], [6]. La principale causa delle difficoltà d interpretazione e di riproduzione del fenomeno è lo scarso controllo della purezza e dell uniformità della superficie del piombo. Nella maggior parte degli esperimenti finora effettuati, infatti, la superficie del piombo risultava ossidata (a causa dell esposizione all aria) o rugosa (perchè la deposizione non era effettuata sfruttando a pieno le moderne tecniche di fisica delle superfici). Motivati da queste considerazioni, abbiamo progettato un apparato per eseguire misure di nanoattrito, con la microbilancia a cristallo di quarzo, su superfici regolari prodotte e mantenute costantemente in condizioni di ultra alto vuoto. Utilizzando superfici non ossidate ed uniformi, dovremmo essere in grado di effettuare misure più attendibili rispetto a quelle finora eseguite. Volendo studiare la dipendenza del nanoattrito dalla superconduttività in ambiente UHV, è di cruciale importanza disporre di un rivelatore della transizione superconduttiva che non comporti la presenza di fonti di contaminazione nelle vicinanze della superficie del piombo. Abbiamo perciò progettato un sensore, il cui funzionamento si basa sull effetto Meissner, in grado di rivelare la transizione rimanendo in una cella separata da quella dove trova posto la microbilancia. Nella presente tesi sono descritte le varie fasi della progettazione e della realizzazione del rivelatore, e i tests eseguiti per determinarne la sensibilità. Nel primo capitolo, dopo una breve introduzione storica sull attrito, daremo una panoramica sullo stato dell arte nello studio della nanotribologia, concentrandoci sulle moderne tecniche sperimentali e sui principali modelli teorici. Nel secondo capitolo approfondiremo il problema dell attrito elettronico, descrivendo i principali esperimenti volti a determinare il legame fra nanoattrito e superconduttività; daremo inoltre una descrizione qualitativa dei modelli teorici sviluppati in seguito agli esperimenti di nanoattrito su materiali superconduttori. Nel terzo capitolo descriveremo le principali caratteristiche dell apparato che abbiamo progettato e della tecnica di misura che adotteremo (quella della microbilancia al cristallo di quarzo).

6 vii Nel quarto capitolo descriveremo dettagliatamente il funzionamento e le varie fasi della progettazione e della realizzazione del rivelatore della transizione superconduttiva; vedremo inoltre le tecniche di misura adottate per caratterizzare il rivelatore, e daremo una descrizione della camera ad alto vuoto e del sistema di termoregolazione utilizzati per le misure preliminari. Nel quinto capitolo presenteremo i risultati delle misure effettuate per la caratterizzazione del rivelatore. Nel sesto capitolo, infine, trarremo le concludioni sull esito del lavoro effettuato per la messa a punto del rivelatore e daremo delle anticipazioni sulle prossime misure che saranno effettuate e sugli sviluppi futuri che andranno a migliorare ulteriormente il sensore.