Een klein instrument om de zwakste magnetische velden te meten

Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben een minuscuul instrument ontwikkeld dat extreem zwakke magnetische velden kan detecteren. Het hart van het supergeleidende kwantuminterferentie-apparaat zijn twee atomair dunne laagjes grafeen, die de onderzoekers combineerden met boornitride. Instrumenten zoals deze hebben toepassingen op gebieden zoals de geneeskunde, naast dat ze worden gebruikt om nieuwe materialen te onderzoeken.

Om zeer kleine magnetische velden te meten, gebruiken onderzoekers vaak supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten, of SQUID’s. In de geneeskunde worden ze bijvoorbeeld gebruikt voor het monitoren van hersen- of hartactiviteit, terwijl in de aardwetenschappen onderzoekers SQUID’s gebruiken om de samenstelling van gesteenten 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 Fysica van de Universiteit van Basel en het Swiss Nanoscience Institute is er nu in geslaagd een van de kleinste SQUID’s te creëren die ooit zijn gebouwd. 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 normaal geleidende of isolerende eigenschappen. Deze punten, de zogenaamde zwakke schakels, moeten zo dun zijn dat de elektronenparen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding erdoorheen 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 hebben SQUID’s een kritische stroomdrempel waarboven de weerstandvrije supergeleider een geleider met gewone weerstand wordt. Deze kritische drempel wordt bepaald door de magnetische flux die door de ring gaat. Door deze kritische stroom nauwkeurig te meten, kunnen de onderzoekers conclusies trekken over de sterkte van het magnetische veld.

SQUIDs met zes lagen

“Onze nieuwe SQUID bestaat uit een complexe stapel van zes lagen van individuele tweedimensionale materialen”, legt hoofdauteur David Indolese uit. Binnenin bevinden zich twee monolagen van grafeen, gescheiden door een zeer dunne laag isolerend boornitride. “Als twee supergeleidende contacten op deze sandwich zijn aangesloten, gedraagt ​​hij zich als een SQUID, wat betekent dat hij kan worden gebruikt om extreem zwakke magnetische velden te detecteren.”

a) Een conventioneel supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat (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, waaronder twee grafeenlagen gescheiden door een dunne film van boornitride. (Universiteit van Basel, Departement Natuurkunde)

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

Het kleine apparaatje 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 kan de gevoeligheid worden aangepast door de afstand tussen de grafeenlagen te veranderen. Met behulp van elektrische velden kunnen de onderzoekers ook de signaalsterkte vergroten, waardoor de meetnauwkeurigheid verder wordt verbeterd.

Analyse van topologische isolatoren

Het primaire doel van het Bazelse 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 gedragen ze zich als isolatoren, terwijl ze aan de buitenkant – of langs de randen – stroom vrijwel verliesloos geleiden, waardoor ze mogelijke kandidaten zijn voor een breed scala aan toepassingen op het gebied van elektronica.

“Met de nieuwe SQUID kunnen we bepalen of deze verliesloze superstromen het gevolg zijn van de topologische eigenschappen van een materiaal, en ze daardoor onderscheiden van niet-topologische materialen. Dit is erg belangrijk voor de studie van topologische isolatoren”, aldus Schönenberger van het project. In de toekomst zouden SQUID’s ook kunnen 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 kunnen worden geschakeld.