Prof. SANDRO PACE

ATTIVITA' SCIENTIFICA

Dopo essersi laureato, ha continuato il lavoro di tesi collaborando nello studio sperimentale di effetti non lineari in film di alluminio vicino alla temperatura di transizione superconduttiva , nel laboratorio G10 dell'Istituto di Fisica della Facoltà di Scienze dell'Universita di Roma.

Durante i primi anni in cui ha usufruito della borsa di studi ?resso l'Università di Salerno, poiché l'intera Facoltà di Scienze era stata da poco costituita, l'attività scientifica è stata maggiormente di natura organizzativa. Ha cosi partecipato in collaborazione con il prof. R.D. Parmentier (prof. incaricato) ed il dott. G. Costabile (borsista) all'organizzazione ed alla installazione dei laboratori scientifici e degli annessi servizi .

Sono state così messe a punto le apparecchiature e la strumentazione per la fabbricazione e lo studio sperimentale di giunzioni tunnel superconduttive Nb/Pb, la cui geometriaviene definita con tecniche fotolitiche (N5,C1).

Durante i primi anni della borsa di studio ha continuato a lavorare presso il laboratorio G10 dell'Istituto di Fi sica di Roma su problemi connessi con l'ottimizzazione di magnetometri superconduttori ed in particolare ha collaborato nella messa a punto di un suscettometro che utilizza uno S.Q.U.I.D. per lo studio di proprietà magneti
che ai composti biologici .

Ha inoltre iniziato una collaborazione con il dott. F. Zirilli dell'Istituto di Matematica di Roma per lo studio dell'ordine della transizione di fase di campioni superconduttori nell'ambito della teoria di Ginzburg-Landau, mediante tecniche dell'analisi non lineare . mediante le gualie' stato provato in modo esatto che in tale modello la transizone di fase rimane del secondo ordine indipendentemente dalle disomogeneita' del sistema.

Negli anni 1976-77 nell'ambito della caratterizzazione delle giunzioni Josephson Nb/Pb, si è dedicato allo studio della influenza di "effetti di prossimità" nell'interfaccia Nb-Nb 0 . In connessione con la problematica legata al comportamento di sandwiches nor male-superconduttore, o, più in generale, di sistemi superconduttori disomogenei, alcune delle tecniche dell'analisi non lineare, già precedentemente utilizzate, sono state applicate allo studio della transizione di fase di si temi disomogenei e del diagramma di fase di sandwiches in cui il metallo normale potesse mostrare un ordine magnetico.

Negli anni 1978-79 ha collaborato allo studio sperimentale degli effetti.dovuti alla geometria ed ai campi magnetici indotti dalle stesse correnti di polarizzazione in giunzioni Josephson estese. Il comportamento statico di tali dispositivi risulta essere quasi completamente chiaro così che esse sono state utilizzate per la misura di proprieta superconduttive di film costituenti la giunzione stessa .

Negii anni 1979-80 si è dedicato allo studio del comportamento dinamico di giunzioni "piccole" e dei modi risonanti ln presenza di campi magnetici .

In questi anni ha parallelamente iniziato lo studio delle singolarità di corrente che appaiono nella caratteristica tensione corrente di giunzioni Josephson estese in "assenza" di campi magnetici. L'elettrodinamica delle giunzioni Josephson è descritta dall'equazione Sine Gordon e tali singolarità corrispondono a modi risonanti descrivibili in termini di quanti di flusso (solitoni) che oscillano nella giunzione. L'attività è stata concentrata sia sullo studio sperimentale di tali risonanze sia sull'elaborazione di semplici modelli analitici che possano descrivere il loro comportamento

In seguito tale studio è stato esteso a possibili applicazioni dei modi risonanti ed al loro comportamento in presenza di campi alternati esterni con frequenze nel range delle microonde (17).

Successivamente lo studio delle risonanzen in giunzioni Josephson estese è stato ampliato ai vari tipi di singolarità di corrente che appaiono anche in presenza di campi esterni . Le singolarità sono in ogni caso descrivibili in termini di quanti di flusso in moto nella giunzione, ma le particolari condizioni al contorno determinate dai campi magnetici esterni) determinano vari tipi di moto ( oscillazioni periodiche risonanti, moti unidirezionali periodici, moti unidirezionali non semplicemente periodici, moti casuali (caos)) e la rispettiva stabilita'.

Tale quadro complessivo della dinamica delle giunzioni Josephson estese è stato cosi praticamente completato.

Lo studio sia dell' interazione dei .modi risonanti con radiazione esterna sia dell'interazione reciproca tra le auto oscillazioni di due giunzioni ha dato l'avvio ad un promettente programma volto tra l'altro alla realizzazione di oscillatori locali costituiti da array di giunzioni auto-oscillanti in modo coerente.

Nel 1983 ha parallelamente iniziato una collaborazione con l'INFN-Laboratori Nazionali di Frascati, nell'ambito della quale vengono studiate possibili applicazioni di giunzioni tunnel quali rivelatori di particelle ionizzanti nel progetto di ricerca SCODET (superconductingdetector) e SLEND (superconducting low energy detector). A tale scopo è iniziato uno studio preliminare da una parte delle strutture e della stabilità delle barriere tunnel e dall'altra dell'elettronica da associare a tali rivelatori (C5,C8,C9, 36, Cll, N6). E' stato inoltre eseguito lo studio del rapporto segnale- rumore in funzione sia della temperatura che dei parametri caratteristici delle giunzioni in connessione con le diverse ipotesi di preamplificazione.

Dopo la scoperta dei nuovi superconduttori ad alta Tc ha tenuto diversi seminari generali sui vari aspetti sperimentali del problema ; ha inoltre partecipato all'attivita'sperimentale volta sia a determinare il gap da misure di tunnel sia alla fabbricazione di films sottili. In modo parallelo proseguendo la collaborazion gia' avviata con l' INFN ed estendendola alla SELENIA S.p.A. ed all'Universita' di Roma II-Tor Vergata , e' stato messo a punto un nuovo metodo di preparazione di sinterlzzati dltipo YBCO. Tale metodo , basato sulla pirolisi dei citrati e su processi termici in cui l'atmosfera di ossigeno e' arricchita di ozono, permette la realizzazione di sinterizzati con buone proprieta' sia meccaniche che diamagnetiche ed ha dato luogo nel gennaio 1988 al deposito di un brevetto internazionale.

Le misure delle proprieta diamagnetiche hanno mostrato chiaramente l'efficacia dell'ozono nel misliorare l'accoppiamento tra i grani , le misure di torsione magnetica hanno inoltre evidenziato in modo inaspettato la presenza evidente di un orientamento preferenziale dei grani. E' attualmente abbastanza chiaro che la preparazione di campioni "textured " e' una delle poche vie praticabili per ottenere densita' di corrente dl un qualche lnteresse applicativo.

Nell'ambito delle attivita' coordinate dal Consorzio INFM sui nuovi superconduttori, sta curando i rapporti con il Centro Ricerche Venezia della Nuova Sa im ( ENI) coordinando la stesura del programma che , gia' approvato dall' ENI ha portato alla stipula di un contratto di 930 ML .

Negli anni successivi e' proseguita l'attivita' precedentemente avviata sui superconduttori ad alta temperatura che e' stata articolata nelle seguenti linee:

1) studio delle proprieta' magnetiche di sistemi granulari;

2) sviluppo e miglioramento delle tecniche di fabbricazione di materiale massivo di tipo YBCO.

3)suscettivita' magnetica si superconduttori ad alta temperatura,

4)drogaggio di superconduttori di tipo YBCO con idrogenazione.

Per cio' che riguarda il punto 1, l'analisi dei sistemi superconduttori granulari ha ricevuto un impulso fortissimo con la scoperta dei superconduttori ceramici poiche' una struttura granulare appare non solo nei campioni sinterizzati, ma anche nei "cristalli singoli" e nei films policristallini. Rimane cosi' naturale descrivere tali sistemi mediante modelli costituiti da grani superconduttori con un accoppiamento superconduttivo di tipo Josephson piu' o meno forte. Poiche' l'Hamiltoniana di tali sistemi appare simile a quella di un sistema di spin, la presenza sia di un forte grado di disordine sia del fenomeno della frustrazione (indotta dal potenziale vettore connesso al campo magnetico applicato) ha fatto si che si e' sviluppata una ampia letteratura che utilizza approcci di tipo "vetroso" o applicazioni del modello XY.

Accanto alla attivita' sperimentale, nella quale sono state sviluppate le tecniche di suscettivita' a.c. per lo studio di campioni sinterizzati, il modello "array di giunzioni Josephson" e' stato affrontato con un approccio originale che, pur incontrando qualche difficolta', trova attualmente uno spazio crescente. L'elemento di sostanziale differenza tra i sistemi di spin e gli arrays di giunzioni e' la presenza in questi ultimi delle correnti, il cui effetto e' quello di introdurre nell'energia del sistema un termine aggiuntivo generando un potenziale "washboard". In tale modo viene completamente rimossa la degenerazione esistente nel potenziale Josephson di tipo sinusoidale e le altezze delle barriere di potenziale tra i vari stati metastabili sono ridotte in modo monotono dalla corrente . La corrente puo' essere indotta sia da un generatore esterno sia dal diamagnetismo complessivo del sistema, cosi' che il fenomeno di riduzione ed azzeramento delle barriere indotto dalla corrente e' rilevante sia nei fenomeni di trasporto sia nelle proprieta' magnetiche. Tale problema e' stato affrontato nelle sue linee generali in modo analitico, sottolineando che l'azzeramento delle barriere da' luogo a uno "stato critico" completamente analogo a quello che si ha nei superconduttori di secondo tipo in presenza di impurezze (centri di pinning e che a temperatura finita diviene rilevante il fenomeno di attivazione termica (creep). In un secondo momento il problema e' stato affrontato mediante simulazioni numeriche analizzando in primo luogo il comportamento reversibile della magnetizzazione a bassi campi . Restringendo l'analisi a sistemi capaci di intrappolare un singolo quanto di flusso in una singola zona intergranulare (b>1), la penetrazione dei quanti di flusso in regime irreversibile e' stata studiata partendo inizialmente da sistemi semplici ed analizzando, inizialmente a T=0, sistemi bidimensionali sempre piu' complessi prima omogenei e successivamente disomogenei . L'analisi e' stata anche estesa a temperatura finita. Inoltre e' stato avviato lo studio di sistemi tridimensionali , mostrando che negli aspetti qualitativi non c'e' alcuna sostanziale dipendenza dalla dimensionalita' nel processo di penetrazione del campo, che rimane indotto dall'azzeramento delle altezze delle barriere causato dalla corrente che circola nelle giunzioni. Parallelamente e' stato avviato lo studio piu' generale eliminando la condizione b>1 sottolineando in particolare la necessita' di utilizzare modelli di arrays costituiti da reti di giunzioni ed induttanze: la presenza delle induttanze nel limite b>1 rende non trascurabili i campi magnetici indotti dalle correnti che circolano nell'array, mentre nel caso b<1 genera una correlazione a lungo range tra le giunzioni, che modifica sostanzialmente la statica e la dinamica del sistema.

Recentemente il modello array di giunzioni e' stato anche utilizzato come possibile spiegazione del cosiddetto "paramagnetic Meissner effect" osservato da alcuni autori alla fine del 1993. Una spiegazione di tale effetto in termini "classici" sarebbe di grande rilevanza poiche', come e' ben noto, la presenza dell'effetto Meissner e' uno dei fenomeni cardine sui quali si basa la descrizione microscopica dello stato superconduttore nei superconduttori metallici, e la presenza di un effetto paramagnetico negli ossidi superconduttori sarebbe la prima reale differenza qualitativa nello stato superconduttore tra le due classi di materiali.

Per cio' che riguarda l'attivita' sperimentale sui superconduttori granulari, la suscettivita' a.c. e' stata utilizzata sia quale tecnica di caratterizzazione generale di campioni , sia per una analisi della dipendenza dalla frequenza dei fenomeni diamagnetici . In particolare e' stata recentemente avviato lo studio dettagliato della suscettivita' nelle vicinanze della temperatura di transizione .

Per cio' che riguarda il punto 2) sviluppo e miglioramento delle tecniche di fabbricazione di materiale massivo di tipo YBCO, in una prima fase e' stato sviluppato (1) il metodo di preparazione di materiale YBCO mediante pirolisi ed ossidazione in ozono precedentemente brevettato all'interno di una collaborazione con la ALENIA e con l'INFN di Frascati. Successivamente e' stato studiato l'effetto dell'idrogenazione del YBCO con varie tecniche .

In ogni modo gran parte dell'attivita' di fabbricazione di materiale massivo di tipo YBCO si e' svolta all'interno del tema 22 del piano MIA del MURST. Tale attivita' ha dato luogo ad un contratto con l'Ansaldo Cris che ha permesso di installare presso il Dipartimento di Fisica di Salerno l'unica apparecchiature di deposizione per MBE dedicata ai superconduttori esistente in Italia. Essa e' volta anche a colmare la grave carenza esistente in Italia in generale nella sintesi dei materiali ed in particolare nel campo dei superconduttori. La mancanza di una tradizione consolidata in questo campo fa si che, a tempi brevi, il rapporto tra il tempo dedicato e l'output scientifico (in termini di pubblicazioni) sia particolarmente basso. Durante il 1992 l'attivita' ha riguardato l'ottimizzazione del processo di sinterizzazione con le tecniche precedentemente sviluppate. Durante il 1993 e' stata avviata una attivita' nuova rivolta alla produzione di YBCO mediante tecniche di fusione parziale che allo stato attuale per questo materiale sembrano essere le uniche che permettono di raggiungere valori di densita' di corrente critica di interesse applicativo.

I risultati delle ricerche svolte sono stati piu' volte presentati in congressi internazionali cui ha partecipato.

Come ricercatore dell'Istituto-Dipartimento di Fisica dell'Università di Salerno è membro dell'Unita del Gruppo Nazionale di Struttura della Materia e dell' Istituto Nazionale per la Fisica della Materia. Inoltre le ricerche sperimentali sull'effetto Josephson si sono svolte parzialmente nell'ambito dei Progetto Finalizzati Superconduttività.

E' stato responsabile di alcuni fondi con cui gli studi descritti sono parzialmente finanziati . Ha inoltre collaborato nella gestione finanziaria complessiva dell'Istituto di Fisica di Salerno ed e' attualmente membro della giunta del Dipartimento.

Nel 1988 è stato nominato Membro di Commissione dell'"International Institute of Refrigeration" per il periodo Gennaio 1988 - Dicembre 1991.

Infine nel 1988 e' stato nominato membro della Commissione Istruttoria ( i.e. giunta ) del Consorzio INFM.