Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (ITeDA) y del Departamento de Micro y Nanotecnología, ambos pertenecientes a la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), logró diseñar, fabricar y caracterizar en el Centro Atómico Constituyentes (CAC) sus primeras junturas Josephson funcionales, componentes fundamentales para el desarrollo de dispositivos electrónicos superconductores utilizados, entre otras aplicaciones, en los sistemas de lectura de detectores criogénicos de alta sensibilidad.

El logro forma parte de un proceso de transferencia tecnológica impulsado por los investigadores que, desde hace varios años, colaboran con instituciones de Alemania en el desarrollo de una nueva cámara bolométrica multicroica para el Observatorio QUBIC, una colaboración internacional dedicada al estudio del fondo cósmico de microondas, la radiación remanente de las primeras etapas del universo. 

El objetivo es transferir progresivamente estas tecnologías a la Argentina, y establecer las capacidades necesarias para diseñar, fabricar y caracterizar dispositivos superconductores destinados a aplicaciones científicas y tecnológicas. 

Entre estos dispositivos se encuentran los microcalorímetros magnéticos (MMC), de gran relevancia para aplicaciones en el ámbito nuclear, como la espectrometría de rayos X y gamma de alta resolución. También se incluyen los microbolómetros magnéticos (MMB), que el propio grupo desarrolla para detectar señales de radiación electromagnética extremadamente débiles. 

Como resultado de un año y medio de trabajo, el equipo logró desarrollar y poner a punto los procesos de microfabricación necesarios para producir junturas Josephson, así como adecuar la infraestructura experimental para caracterizar su funcionamiento a temperaturas criogénicas. Este avance integra conocimientos de diseño, microfabricación, electrónica y criogenia, y constituye un paso importante hacia la fabricación nacional de dispositivos superconductores de mayor complejidad.

Para el equipo de investigación, haber desarrollado en el Centro Atómico Constituyentes las capacidades necesarias para fabricar y caracterizar junturas Josephson representa mucho más que un resultado experimental. Significa avanzar hacia la fabricación local de componentes esenciales para tecnologías de detección de alta sensibilidad, reduciendo progresivamente la dependencia de procesos e instalaciones disponibles en el exterior.

¿Qué es una juntura Josephson?

La juntura Josephson es un dispositivo formado por dos electrodos superconductores separados por una barrera extremadamente delgada, por la que puede circular corriente sin resistencia gracias a un fenómeno cuántico conocido como efecto Josephson. Son componentes fundamentales de numerosos dispositivos electrónicos superconductores. Una de sus principales aplicaciones es la fabricación de dispositivos superconductores de interferencia cuántica, conocidos como SQUIDs, capaces de detectar variaciones extremadamente pequeñas de flujo magnético. Esta sensibilidad los convierte en elementos esenciales para los sistemas de lectura de determinados detectores criogénicos de alta precisión.

De la experiencia en Alemania a la fabricación nacional

La iniciativa de fabricar junturas Josephson surgió en el marco del trabajo que el equipo desarrolla en el campo de los detectores criogénicos de alta sensibilidad y sus sistemas de lectura, en colaboración con el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), en Alemania.

Desde hace varios años, investigadores y estudiantes de doctorado participan en el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos superconductores en las instalaciones del KIT. Esta experiencia permitió incorporar conocimientos y adquirir capacidades en tecnologías avanzadas que actualmente se están transfiriendo al Centro Atómico Constituyentes, adaptando procedimientos de fabricación propias a la infraestructura local y formando recursos humanos especializados para avanzar hacia el desarrollo integral de estos dispositivos en la Argentina.

Una de las tecnologías de particular interés son los multiplexores SQUID de microondas, sistemas electrónicos superconductores que permiten adquirir simultáneamente las señales provenientes de numerosos detectores criogénicos. Estos sistemas son especialmente importantes para el desarrollo de instrumentos de detección de alta sensibilidad que requieren operar con múltiples canales de medición.

Entre los componentes centrales de estos multiplexores está el SQUID de radiofrecuencia (rf-SQUID), formado por un lazo superconductor interrumpido por una única juntura Josephson. Por esta razón, desarrollar la capacidad de fabricar estas junturas en el país constituye un primer paso fundamental hacia la producción local de los multiplexores completos.

Cómo se logró

El grupo puso a punto los procesos de microfabricación necesarios para producir las junturas y adecuó la infraestructura experimental para caracterizarlas a temperaturas criogénicas. Las tareas incluyeron la adquisición, instalación y puesta en funcionamiento de un equipo de deposición de películas delgadas por sputtering, así como la caracterización y puesta a punto de los distintos procesos de microfabricación. Fue necesario determinar las condiciones adecuadas para depositar y grabar los materiales superconductores y aislantes, establecer criterios de calidad y realizar sucesivas pruebas y ajustes hasta obtener las primeras junturas funcionales.

En paralelo, se adecuó el sistema de medición del criostato de dilución mediante la incorporación de filtros y un cableado especialmente diseñado para reducir el ruido electrónico, todas mejoras destinadas a caracterizar con precisión las propiedades de los dispositivos a temperaturas cercanas al cero absoluto. Las mediciones realizadas permitieron determinar parámetros eléctricos fundamentales para optimizar su calidad y reproducibilidad.

Una colaboración que integra infraestructura y conocimiento

El trabajo se llevó adelante mediante la colaboración entre el Departamento de Diseño y Construcción de Detectores, que forma parte del ITeDA y pertenece a la Gerencia de Tecnología e Investigación en Ciencias del Universo (GTICU), y el Departamento de Micro y Nanotecnología, de la Gerencia de Desarrollos Tecnológicos (GDT), ambos de la CNEA.

El Departamento de Micro y Nanotecnología aportó su sala limpia, el equipamiento especializado y la experiencia técnica necesaria para desarrollar y poner a punto los procesos de fabricación. Estas instalaciones cuentan con sistemas que permiten depositar y procesar los materiales superconductores y aislantes utilizados en las junturas Josephson.

Por su parte, ITeDA aportó su Laboratorio de Criogenia y de Electrónica, la infraestructura experimental necesaria para caracterizar los dispositivos a temperaturas criogénicas y los recursos humanos involucrados en el diseño, la caracterización y el desarrollo de estas tecnologías.

La experiencia adquirida a través de la colaboración internacional con el KIT constituye otro elemento fundamental de esta iniciativa. La transferencia tecnológica no consiste únicamente en reproducir procedimientos desarrollados en el exterior, sino también en adaptar los procesos de fabricación a la infraestructura local, formar recursos humanos especializados y generar el conocimiento necesario para continuar mejorando estas tecnologías de manera autónoma.

El objetivo es consolidar en el país las capacidades necesarias para diseñar, fabricar y caracterizar íntegramente dispositivos electrónicos superconductores, promoviendo una mayor autonomía tecnológica y abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de instrumentos de alta sensibilidad.

La fabricación y medición de las primeras junturas Josephson funcionales en el CAC constituyen un resultado concreto de este proceso de transferencia tecnológica y demuestran la expertis adquirida por los equipos de investigación y desarrollo de la CNEA para incorporar y adaptar tecnologías avanzadas a la infraestructura nacional.

Próximos pasos: avanzar hacia la fabricación de sistemas de lectura superconductores

El trabajo continúa con la caracterización de los distintos chips fabricados, para evaluar sus propiedades y mejorar la calidad y reproducibilidad de las junturas Josephson. Si bien todavía quedan aspectos por optimizar, los resultados obtenidos en las primeras mediciones son alentadores y permiten avanzar hacia el desarrollo de dispositivos de mayor complejidad.

Las próximas etapas incluyen la fabricación de resonadores superconductores y SQUIDs de radiofrecuencia, su integración en circuitos funcionales y el desarrollo de sistemas de lectura con múltiples canales.

El objetivo principal es consolidar en el Centro Atómico Constituyentes los conocimientos, recursos y procesos tecnológicos necesarios para fabricar íntegramente multiplexores SQUID de microondas, una tecnología clave para la lectura de detectores criogénicos de alta sensibilidad.

A largo plazo, estas capacidades permitirán avanzar hacia el desarrollo nacional de sistemas de detección criogénicos completos, con potencial de aplicación en instrumentación nuclear, espectrometría de rayos X y gamma de alta resolución y otras tecnologías de medición que exigen niveles extremadamente elevados de sensibilidad y precisión.