Et lillebitte instrument til at måle de svageste magnetfelter

Fysikere ved universitetet i Basel har udviklet et lille instrument, der er i stand til at registrere ekstremt svage magnetfelter. I hjertet af den superledende kvanteinterferensanordning er to atomisk tynde lag af grafen, som forskerne kombinerede med bornitrid. Instrumenter som denne har applikationer inden for områder som medicin, udover at blive brugt til at forske i nye materialer.

For at måle meget små magnetiske felter, forskere bruger ofte superledende kvanteinterferensenheder, eller SQUIDs. Inden for medicin, deres anvendelser omfatter overvågning af hjerne- eller hjerteaktivitet, for eksempel, mens forskere i geovidenskaben bruger SQUID'er til at karakterisere sammensætningen af ​​klipper eller detektere grundvandsstrømme. Enhederne har også en bred vifte af anvendelser inden for andre anvendte områder og grundforskning.

Holdet ledet af professor Christian Schönenberger fra University of Basel's Department of Physics og Swiss Nanoscience Institute er nu lykkedes med at skabe en af ​​de mindste SQUID'er, der nogensinde er bygget. Forskerne beskrev deres præstation i det videnskabelige tidsskrift Nano bogstaver .

En superledende ring med svage led

En typisk SQUID består af en superledende ring afbrudt i to punkter af en ekstremt tynd film med normale ledende eller isolerende egenskaber. Disse punkter, kendt som svage led, skal være så tynde, at de elektronpar, der er ansvarlige for superledning, er i stand til at tunnelere igennem dem. Forskere begyndte for nylig også at bruge nanomaterialer såsom nanorør, nanotråde eller grafen til at skabe de svage led, der forbinder de to superledere.

Som et resultat af deres konfiguration, SQUID'er har en kritisk strømtærskel, over hvilken den modstandsfrie superleder bliver en leder med almindelig modstand. Denne kritiske tærskel er bestemt af den magnetiske flux, der passerer gennem ringen. Ved at måle denne kritiske strøm præcist, forskerne kan drage konklusioner om magnetfeltets styrke.

SQUIDs med seks lag

"Vores roman SQUID består af et kompleks, seks-lags stak af individuelle todimensionelle materialer, " forklarer hovedforfatter David Indolese. Inde i det er to grafen-monolag adskilt af et meget tyndt lag isolerende bornitrid. "Hvis to superledende kontakter er forbundet til denne sandwich, den opfører sig som en SQUID - hvilket betyder, at den kan bruges til at detektere ekstremt svage magnetiske felter."

a) En konventionel superledende kvanteinterferensanordning (SQUID) består af en superledende ring afbrudt på to punkter af svage led (i dette tilfælde et grafenlag). b) Den nye SQUID består af en stak af todimensionelle materialer, inklusive to grafenlag adskilt af en tynd film af bornitrid. (Universitetet i Basel, Institut for Fysik)

I denne opsætning, grafenlagene er de svage led, selvom de i modsætning til en almindelig SQUID ikke er placeret ved siden af ​​hinanden, men den ene oven på den anden, justeret vandret. "Som resultat, vores SQUID har en meget lille overflade, kun begrænset af begrænsningerne af nanofabrikationsteknologi, " forklarer Dr. Paritosh Karnatak fra Schönenbergers team.

Den lille enhed til måling af magnetiske felter er kun omkring 10 nanometer høj - omkring en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Instrumentet kan udløse superstrømme, der flyder i små rum. I øvrigt, dens følsomhed kan justeres ved at ændre afstanden mellem grafenlagene. Ved hjælp af elektriske felter, forskerne er også i stand til at øge signalstyrken, yderligere at forbedre målenøjagtigheden.

Analyse af topologiske isolatorer

Basel-forskerholdets primære mål med at udvikle de nye SQUID'er var at analysere kantstrømmene af topologiske isolatorer. Topologiske isolatorer er i øjeblikket i fokus for utallige forskningsgrupper over hele verden. På indersiden, de opfører sig som isolatorer, mens de på ydersiden - eller langs kanterne - leder strøm næsten tabsfrit, gør dem til mulige kandidater til en bred vifte af applikationer inden for elektronik.

"Med den nye SQUID, vi kan bestemme, om disse tabsfrie superstrømme skyldes et materiales topologiske egenskaber, og derved adskille dem fra ikke-topologiske materialer. Dette er meget vigtigt for studiet af topologiske isolatorer, " bemærkede Schönenberger om projektet. I fremtiden, SQUID'er kan også bruges som støjsvage forstærkere til højfrekvente elektriske signaler, eller for eksempel at detektere lokale hjernebølger (magnetoencefalografi), da deres kompakte design betyder, at et stort antal af enhederne kan seriekobles.