Dos casos paradigmáticos de excitaciones colectivas en la banda de conducciónmonocristales superconductores y nanoestructuras plasmónicas

Resumen

En esta tesis se han estudiado dos tipos de sistemas cuyas propiedades proceden del comportamiento colectivo de los electrones en la banda de conducción, como son los superconductores y los sistemas plasmónicos. Estos sistemas resultan de un gran interés tanto en investigación fundamental como de cara a aplicaciones tecnológicas. Aunque ambos fenómenos se originan en la banda de conducción, las propiedades características de cada uno de ellos son muy diferentes debido a la naturaleza de las ligaduras entre electrones. Los superconductores estudiados han sido monocristales dopados con níquel del compuesto BaFe2As2, pertenecientes a la familia de más reciente descubrimiento: los nicturos de hierro. En este tipo de materiales la superconductividad se consigue a partir del dopado del compuesto padre, de forma análoga a otros sistemas bien conocidos como los cupratos. La presencia de átomos ferromagnéticos en la estructura cristalina de los nicturos no suprime la superconductividad, como sí ocurre en los cupratos. Los sistemas plasmónicos estudiados han sido películas de oro nanoestructuradas. En las películas delgadas de metales nobles como el oro aparecen plasmones de superficie propagantes. Estas excitaciones toman la forma de ondas transversales que se propagan a lo largo de la intercara entre el metal y el entorno dieléctrico. Dado que son muy susceptibles a las variaciones de este entorno, su uso en la fabricación de sensores ha sido ampliamente explorado. Para la caracterización se han utilizado las técnicas experimentales adecuadas en cada caso, y que comprenden desde la medida de transporte eléctrico a bajas temperaturas, hasta la magnetometría Kerr y la resonancia de plasmones superficiales. Para nanoestructurar los sistemas plasmónicos se han empleado técnicas de micro y nanofabricación, destacando la pulverización catódica y la litografía por haz de electrones. Respecto a los monocristales superconductores, el trabajo se ha centrado en la caracterización de sus propiedades mediante medidas eléctricas, enfocándose en: -El estudio del comportamiento resistivo de los cristales con la temperatura, en torno a la transición superconductora. Se ha observado cómo las características de la transición difieren para los distintos dopados. -El análisis de la respuesta resistiva en función del campo magnético aplicado. Dada la anisotropía estructural presente en este tipo de monocristales, se ha estudiado la respuesta para distintas intensidades y orientaciones del campo magnético. El comportamiento observado corresponde al de un sistema cuasibidimensional. -La caracterización de la dinámica de los vórtices superconductores mediante el estudio de las curvas características V-I. Se ha encontrado que para el cristal dopado con x(0.10) el mecanismo principal de anclaje es debido a fluctuaciones espaciales de la temperatura crítica, mientras que para el cristal con x(0.12) predomina el asociado a variaciones del recorrido libre medio de los portadores debidas a la presencia de defectos. Los experimentos realizados con sistemas plasmónicos se han centrado en el estudio de situaciones ligadas a la problemática real de los sensores basados en resonancia de plasmones superficiales. Los efectos estudiados han sido: -El calentamiento del elemento sensor debido a la disipación de energía térmica en condiciones de resonancia, trabajando con densidades de potencia típicas en sensores. El aumento de temperatura se ha estimado combinando medidas de resistencia eléctrica con simulaciones por ordenador. -La influencia de la presencia de nanoestructuras ferromagnéticas sobre la propagación de plasmones superficiales en una película de oro. El sistema estudiado consiste en un dispositivo híbrido que presenta de forma intensa tanto resonancia de plasmones como señal ferromagnética. Para estudiar este dispositivo se diseñó un montaje experimental no convencional que permitiera la caracterización de ambas propiedades.