Fysiker vid universitetet i Basel har utvecklat ett mycket litet instrument som kan upptäcka extremt svaga magnetfält. I hjärtat av den supraledande kvantinterferensanordningen finns två atomärt tunna lager av grafen, som forskarna kombinerade med bornitrid. Instrument som det här har tillämpningar inom områden som medicin, förutom att användas för att undersöka nya material.

För att mäta mycket små magnetiska fält, forskare använder ofta supraledande kvantinterferensanordningar, eller SQUIDs. Inom medicin, deras användningsområden inkluderar övervakning av hjärn- eller hjärtaktivitet, till exempel, medan forskare inom geovetenskapen använder SQUIDs för att karakterisera sammansättningen av bergarter eller detektera grundvattenflöden. Apparaterna har även ett brett användningsområde inom andra tillämpade områden och grundforskning.

Teamet som leds av professor Christian Schönenberger vid universitetet i Basel:s institution för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet har nu lyckats skapa en av de minsta SQUIDs som någonsin byggts. Forskarna beskrev sin prestation i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver .

En supraledande ring med svaga länkar

En typisk SQUID består av en supraledande ring som vid två punkter avbryts av en extremt tunn film med normala ledande eller isolerande egenskaper. Dessa punkter, känd som svaga länkar, måste vara så tunna att elektronparen som ansvarar för supraledning kan tunnla genom dem. Forskare började nyligen också använda nanomaterial som nanorör, nanotrådar eller grafen för att skapa de svaga länkarna som förbinder de två supraledarna.

Som ett resultat av deras konfiguration, SQUIDs har en kritisk strömtröskel över vilken den resistansfria supraledaren blir en ledare med ordinärt motstånd. Denna kritiska tröskel bestäms av det magnetiska flödet som passerar genom ringen. Genom att mäta denna kritiska ström exakt, forskarna kan dra slutsatser om styrkan i magnetfältet.

SQUIDs med sex lager

"Vår roman SQUID består av ett komplex, sexskiktsstapel av individuella tvådimensionella material, " förklarar huvudförfattaren David Indolese. Inuti den finns två grafenmonoskikt åtskilda av ett mycket tunt lager av isolerande bornitrid. "Om två supraledande kontakter är anslutna till denna sandwich, den beter sig som en SQUID – vilket betyder att den kan användas för att upptäcka extremt svaga magnetfält."

a) En konventionell supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) består av en supraledande ring som är avbruten i två punkter av svaga länkar (i detta fall ett grafenlager). b) Den nya SQUID består av en stapel av tvådimensionella material, inklusive två grafenlager åtskilda av en tunn film av bornitrid. (Universitetet i Basel, Institutionen för fysik)

I denna inställning, grafenlagren är de svaga länkarna, även om de till skillnad från en vanlig SQUID inte är placerade bredvid varandra, men den ena på den andra, inriktad horisontellt. "Som ett resultat, vår SQUID har en mycket liten yta, begränsas endast av nanotillverkningsteknikens begränsningar, " förklarar Dr. Paritosh Karnatak från Schönenbergers team.

Den lilla enheten för att mäta magnetiska fält är bara cirka 10 nanometer hög - ungefär en tusendel av tjockleken på ett människohår. Instrumentet kan utlösa superströmmar som flyter i små utrymmen. Dessutom, dess känslighet kan justeras genom att ändra avståndet mellan grafenlagren. Med hjälp av elektriska fält, forskarna kan också öka signalstyrkan, ytterligare förbättra mätnoggrannheten.

Analysera topologiska isolatorer

Baselforskargruppens primära mål med att utveckla de nya SQUIDs var att analysera kantströmmarna hos topologiska isolatorer. Topologiska isolatorer är för närvarande i fokus för otaliga forskargrupper över hela världen. På insidan, de beter sig som isolatorer, medan de på utsidan - eller längs kanterna - leder ström nästan förlustfritt, gör dem till möjliga kandidater för ett brett spektrum av tillämpningar inom elektronikområdet.

"Med den nya SQUID, vi kan avgöra om dessa förlustfria superströmmar beror på ett materials topologiska egenskaper, och därigenom skilja dem från icke-topologiska material. Detta är mycket viktigt för studiet av topologiska isolatorer, " anmärkte Schönenberger om projektet. I framtiden, SQUIDs kan också användas som lågbrusförstärkare för högfrekventa elektriska signaler, eller till exempel för att upptäcka lokala hjärnvågor (magnetoencefalografi), eftersom deras kompakta design innebär att ett stort antal av enheterna kan seriekopplas.