Realization of a four-probe electrical resistivity apparatus and its noise-reduced data acquisition interface to characterize superconducting materials

L’elaborato si basa sulla realizzazione di un sistema di rilevazione sincrona per misure di resistenza elettrica con metodo a quattro terminali. L’obbiettivo, utile alla caratterizzazione di materiali superconduttivi, è quello di misurare la dipendenza tra resistività elettrica e temperatura del campione. L’apparato si suddivide in un sistema di controllo della temperatura e un sistema di acquisizione dotato di amplificatore lock-in digitale. Gli amplificatori lock-in sono strumenti usati per il recupero di segnali laddove il contributo del rumore di fondo risulta essere preponderante rispetto al segnale d’interesse. L’acquisizione e conversione del segnale analogico viene svolta da una scheda Digilent Analog Discovery 2, il segnale digitalizzato viene elaborato da un amplificatore lock-in digitale. Quest’ultimo è stato sviluppato ad hoc in ambiente labVIEW, ricoprendo un ruolo fondamentale nel lavoro presentato. Il sistema di controllo della temperatura comprende un impianto criogenico e un sistema di riscaldamento (con circuito di retroazione PID). I test svolti per definire le performance del sistema di acquisizione hanno rivelato una riserva dinamica stimata di 82 dB ed un segnale minimo misurabile di 200 nV (con un errore del 5%). Successivamente l’apparato è stato utilizzato per caratterizzare due campioni superconduttori appartenenti rispettivamente alla famiglia dei cuprati e a quella dei ferro-pnictidi. L’apparato è in grado di misurare valori di resistenza con una sensibilità di 200 nV/I (dipende dalla corrente fornita al campione e misurata in Ampere), realizzando un grafico di dipendenza R vs T con 0,05 K di risoluzione. Le temperature critiche misurate per i due campioni sono in accordo con i valori trovati in letteratura. Il lock-in illustrato in questa tesi presenta possibili applicazioni a scopo educativo o di ricerca, qualora le performance richieste per la misura rientrino in quelle descritte precedentemente.