Автор AZoNano 8 сентября 2020 г.

]

В Базельском университете физики разработали компактный прибор, способный обнаруживать очень слабые магнитные поля.

Два атомно тонких слоя графена образуют ядро ​​сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (СКВИД). Команда объединила эти слои с нитридом бора. Подобные инструменты находят применение не только для изучения новых материалов, но и в таких областях, как медицина.

Ученые обычно используют СКВИДы для количественной оценки очень слабых магнитных полей. В области медицины эти устройства используются, например, для мониторинга активности сердца или мозга.

В области наук о Земле СКВИДы используются для определения состава горных пород или обнаружения потоков подземных вод. Более того, эти устройства находят широкое применение в фундаментальных исследованиях и других прикладных областях.

Группа исследователей, возглавляемая профессором Кристианом Шененбергером из физического факультета Базельского университета и Швейцарского института нанонаук, успешно разработала один из самых маленьких СКВИДов. Ученые сообщили о своих достижениях в научном журнале Nano Letters .

Сверхпроводящее кольцо со слабыми звеньями

Стандартный СКВИД включает в себя сверхпроводящее кольцо, прерванное в двух точках очень тонкой пленкой с типичными изолирующими или проводящими свойствами. Такие точки называются слабыми звеньями и должны быть настолько тонкими, чтобы пары электронов, вызывающие сверхпроводимость, могли туннелировать через них.

Недавно ученые также начали использовать наноматериалы, такие как нанопровода, нанотрубки или графен, для создания слабых звеньев, соединяющих два сверхпроводника.

Из-за своей конфигурации СКВИДы обладают порогом критического тока, выше которого безомный сверхпроводник превращается в проводник с нормальным сопротивлением. Этот критический порог определяется магнитным потоком, проходящим через кольцо.

Команда может сделать выводы относительно силы магнитного поля, выполнив точные измерения этого критического тока.

Шестислойные СКВИДы

Наш новый СКВИД состоит из сложной шестислойной стопки отдельных двухмерных материалов . Если к этому сэндвичу подключены два сверхпроводящих контакта, он ведет себя как СКВИД, то есть его можно использовать для обнаружения чрезвычайно слабых магнитных полей .

Дэвид Индолезе, ведущий автор исследования, Базельский университет

Внутри СКВИДа находятся два монослоя графена, изолированные чрезвычайно тонким слоем изолирующего нитрида бора.

В таком расположении слои графена, как правило, являются слабыми звеньями. Однако, в отличие от стандартного СКВИДа, где они располагаются рядом друг с другом, в новой модели они располагаются друг над другом и выровнены по горизонтали.

В результате наш СКВИД имеет очень маленькую площадь поверхности, ограниченную только ограничениями технологии нанопроизводства .

Д-р Паритош Карнатак, Базельский университет

Доктор Паритош Карнатак входит в группу Шененбергера.

Высота небольшого устройства для количественной оценки магнитных полей составляет всего около 10 нм – примерно одну тысячную толщины пряди человеческого волоса. Этот прибор может создавать сверхтоки, протекающие в очень узких местах.

Кроме того, можно регулировать его чувствительность, изменяя расстояние между слоями графена. Команда также могла улучшить силу сигнала с помощью электрических полей, что еще больше повысило точность измерений.

Анализ топологических изоляторов

Основной целью базельских исследователей при разработке инновационных СКВИДов было исследование краевых токов топологических изоляторов. В настоящее время топологические изоляторы являются предметом внимания бесчисленных исследовательских групп по всему миру.

Они действуют как изоляторы изнутри, тогда как снаружи или по краям они проводят ток почти без потерь, что делает их потенциальными кандидатами для широкого спектра применений в области электроники.

С новым SQUID мы можем определить, являются ли эти сверхтоки без потерь результатом топологических свойств материала, и тем самым отличить их от нетопологических материалов. Это очень важно для изучения топологических изоляторов .

Кристиан Шененбергер, профессор кафедры физики Базельского университета

В будущем СКВИДы можно будет даже использовать в качестве малошумящих усилителей высокочастотных электрических сигналов или, например, для обнаружения локальных мозговых волн (магнитоэнцефалография), поскольку их компактная конструкция позволяет использовать огромное количество устройств. соединены последовательно.

Эта статья является результатом тесного сотрудничества исследователей из Базельского университета, Будапештского университета и Национального института материаловедения в Цукубе (Япония).

Видео предоставлено: Базельский университет.

Справка журнала

Indolese, D. I., и др. . (2020) Компактный СКВИД, реализованный в двухслойной гетероструктуре графена. Нано-буквы . doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02412.

Источник: https://www.unibas.ch/en.html