Som med skådespelare och operasångare, när man mäter magnetfält hjälper det att ha räckvidd.

Cornell-forskare använde en ultratunn grafen "smörgås" för att skapa en liten magnetfältssensor som kan fungera över ett större temperaturområde än tidigare sensorer, samtidigt som de upptäcker små förändringar i magnetfält som annars skulle kunna gå vilse inom en större magnetisk bakgrund.

Forskare under ledning av Katja Nowack, biträdande professor i fysik, skapade denna Hall-effektsensor i mikronskala genom att lägga grafen mellan ark av hexagonal bornitrid, vilket resulterar i en enhet som fungerar över ett större temperaturområde än tidigare Hall-sensorer.

Gruppens tidning, "Magnetiska fältdetektionsgränser för ultrarena grafenhallsensorer, " publicerad 20 augusti in Naturkommunikation .

Laget leddes av Katja Nowack, biträdande professor i fysik vid College of Arts and Sciences och tidningens seniorförfattare.

Nowacks labb är specialiserat på att använda skanningssonder för att utföra magnetisk avbildning. En av deras prober är den supraledande kvantinterferensenheten, eller SQUID, som fungerar bra vid låga temperaturer och i små magnetfält.

"Vi ville utöka utbudet av parametrar som vi kan utforska genom att använda denna andra typ av sensor, som är Hall-effektsensorn, " sa doktoranden Brian Schaefer, tidningens huvudförfattare. "Det kan fungera vid vilken temperatur som helst, och vi har visat att den kan fungera upp till höga magnetfält också. Hallsensorer har använts vid höga magnetfält tidigare, men de kan vanligtvis inte upptäcka små magnetfältsförändringar ovanpå det magnetfältet."

Hall-effekten är ett välkänt fenomen inom den kondenserade materiens fysik. När en ström flyter genom ett prov, den böjs av ett magnetfält, skapar en spänning över båda sidor av provet som är proportionell mot magnetfältet.

Hall-effektsensorer används i en mängd olika tekniker, från mobiltelefoner till robotteknik till låsningsfria bromsar. Enheterna är vanligtvis byggda av konventionella halvledare som kisel och galliumarsenid.

Nowacks grupp bestämde sig för att prova ett mer nytt tillvägagångssätt.

Det senaste decenniet har sett en boom i användningen av grafenark – enkla lager av kolatomer, ordnade i ett bikakegaller. Men grafenenheter faller ofta mindre än de som är gjorda av andra halvledare när grafenarket placeras direkt på ett kiselsubstrat; grafenarket "smulnar ihop" på nanoskala, hämmar dess elektriska egenskaper.

Nowacks grupp anammade en nyligen utvecklad teknik för att låsa upp grafens fulla potential - att lägga den mellan ark av hexagonal bornitrid. Hexagonal bornitrid har samma kristallstruktur som grafen men är en elektrisk isolator, vilket gör att grafenarket kan ligga plant. Grafitlager i sandwichstrukturen fungerar som elektrostatiska grindar för att justera antalet elektroner som kan leda elektricitet i grafenet.

Smörgåstekniken var pionjär av medförfattaren Lei Wang, en tidigare postdoktor vid Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science. Wang arbetade också i labbet hos co-senior författaren Paul McEuen, John A. Newman professor i fysikalisk vetenskap och medordförande för nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, en del av prostens initiativ Radikalt samarbete.

"Inkapslingen med hexagonal bornitrid och grafit gör det elektroniska systemet ultrarent, " sade Nowack. "Det gör att vi kan arbeta med ännu lägre elektrondensiteter än vi kunde tidigare, och det är gynnsamt för att förstärka Hall-effektsignalen vi är intresserade av."

Forskarna kunde skapa en Hall-sensor i mikronskala som fungerar lika bra som de bästa Hall-sensorerna som rapporterats vid rumstemperatur medan de överträffar alla andra Hall-sensorer vid temperaturer så låga som 4,2 kelvin (eller minus 452,11 grader Fahrenheit).

Grafensensorerna är så exakta att de kan plocka ut små fluktuationer i ett magnetfält mot ett bakgrundsfält som är sex storleksordningar större (eller en miljon gånger dess storlek). Att upptäcka sådana nyanser är en utmaning för även högkvalitativa sensorer eftersom i ett högt magnetfält, spänningssvaret blir olinjärt och därför svårare att analysera.

Nowack planerar att införliva grafen Hall-sensorn i ett skanningsprobmikroskop för att avbilda kvantmaterial och utforska fysiska fenomen, såsom hur magnetfält förstör okonventionell supraledning och hur ström flyter i speciella materialklasser, såsom topologiska metaller.

"Magnetiska fältsensorer och Hall-sensorer är viktiga delar av många verkliga tillämpningar, " sade Nowack. "Detta arbete sätter ultraren grafen verkligen på kartan för att vara ett överlägset material att bygga Hall-sonder av. Det skulle inte vara riktigt praktiskt för vissa applikationer eftersom det är svårt att göra dessa enheter. Men det finns olika vägar för materialtillväxt och automatiserad montering av smörgåsen som människor utforskar. När du väl har en graphene sandwich, du kan placera den var som helst och integrera den med befintlig teknik."