Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben een minuscuul instrument ontwikkeld dat extreem zwakke magnetische velden kan detecteren. In het hart van het supergeleidende kwantuminterferentieapparaat bevinden zich twee atomair dunne lagen grafeen, die de onderzoekers combineerden met boornitride. Instrumenten zoals deze hebben toepassingen op gebieden als geneeskunde, naast dat het wordt gebruikt om nieuwe materialen te onderzoeken.

Om zeer kleine magnetische velden te meten, onderzoekers gebruiken vaak supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten, of INKTVIS. in de geneeskunde, hun toepassingen omvatten het monitoren van hersen- of hartactiviteit, bijvoorbeeld, terwijl in de aardwetenschappen onderzoekers SQUID's gebruiken om de samenstelling van rotsen te karakteriseren of grondwaterstromen te detecteren. De apparaten hebben ook een breed scala aan toepassingen in andere toegepaste gebieden en fundamenteel onderzoek.

Het team onder leiding van professor Christian Schönenberger van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute is er nu in geslaagd een van de kleinste SQUID's ooit gebouwd te creëren. De onderzoekers beschreven hun prestatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters .

Een supergeleidende ring met zwakke schakels

Een typische SQUID bestaat uit een supergeleidende ring die op twee punten wordt onderbroken door een extreem dunne film met normale geleidende of isolerende eigenschappen. deze punten, bekend als zwakke schakels, moet zo dun zijn dat de elektronenparen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding er doorheen kunnen tunnelen. Onderzoekers zijn onlangs ook begonnen met het gebruik van nanomaterialen zoals nanobuisjes, nanodraden of grafeen om de zwakke schakels te vormen die de twee supergeleiders verbinden.

Als gevolg van hun configuratie, SQUID's hebben een kritische stroomdrempel waarboven de weerstandsvrije supergeleider een geleider wordt met gewone weerstand. Deze kritische drempel wordt bepaald door de magnetische flux die door de ring gaat. Door deze kritische stroom nauwkeurig te meten, de onderzoekers kunnen conclusies trekken over de sterkte van het magneetveld.

SQUID's met zes lagen

"Onze roman SQUID bestaat uit een complexe, zeslaagse stapel individuele tweedimensionale materialen, " legt hoofdauteur David Indolese uit. Binnenin zijn twee grafeenmonolagen gescheiden door een zeer dunne laag isolerend boornitride. "Als twee supergeleidende contacten op deze sandwich zijn aangesloten, het gedraagt ​​​​zich als een SQUID, wat betekent dat het kan worden gebruikt om extreem zwakke magnetische velden te detecteren."

a) Een conventioneel supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID) bestaat uit een supergeleidende ring die op twee punten wordt onderbroken door zwakke schakels (in dit geval een grafeenlaag). b) De nieuwe SQUID bestaat uit een stapel tweedimensionale materialen, inclusief twee grafeenlagen gescheiden door een dunne film van boornitride. (Universiteit van Bazel, Afdeling Natuurkunde)

In deze opstelling, de grafeenlagen zijn de zwakke schakels, hoewel ze in tegenstelling tot een gewone SQUID niet naast elkaar staan, maar de een boven de ander, horizontaal uitgelijnd. "Als resultaat, onze SQUID heeft een zeer klein oppervlak, alleen beperkt door de beperkingen van nanofabricagetechnologie, " legt Dr. Paritosh Karnatak van het team van Schönenberger uit.

Het kleine apparaat voor het meten van magnetische velden is slechts ongeveer 10 nanometer hoog - ongeveer een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Het instrument kan superstromen activeren die in minuscule ruimtes stromen. Bovendien, de gevoeligheid kan worden aangepast door de afstand tussen de grafeenlagen te wijzigen. Met behulp van elektrische velden, de onderzoekers zijn ook in staat om de signaalsterkte te vergroten, verdere verbetering van de meetnauwkeurigheid.

Analyse van topologische isolatoren

Het primaire doel van het Baselse onderzoeksteam bij de ontwikkeling van de nieuwe SQUID's was het analyseren van de randstromen van topologische isolatoren. Topologische isolatoren zijn momenteel een focus van talloze onderzoeksgroepen over de hele wereld. Aan de binnenkant, ze gedragen zich als isolatoren, terwijl ze aan de buitenkant - of langs de randen - stroom bijna verliesloos geleiden, waardoor ze mogelijke kandidaten zijn voor een breed scala aan toepassingen op het gebied van elektronica.

"Met de nieuwe SQUID, we kunnen bepalen of deze verliesvrije superstromen te wijten zijn aan de topologische eigenschappen van een materiaal, en daardoor onderscheiden van niet-topologische materialen. Dit is erg belangrijk voor de studie van topologische isolatoren, " merkte Schönenberger op over het project. In de toekomst zal SQUID's kunnen ook worden gebruikt als ruisarme versterkers voor hoogfrequente elektrische signalen, of bijvoorbeeld om lokale hersengolven te detecteren (magneto-encefalografie), omdat door hun compacte ontwerp een groot aantal apparaten in serie kan worden geschakeld.