David Indolese, físico de la Universidad de Basilea, explica brevemente el nuevo SQUID, un instrumento minúsculo capaz de detectar campos magnéticos extremadamente débiles. En el corazón del dispositivo de interferencia cuántica superconductora hay dos capas atómicamente delgadas de grafeno, que los investigadores combinaron con nitruro de boro. Crédito: Instituto Suizo de Nanociencia, Universidad de Basilea
Los físicos de la Universidad de Basilea han desarrollado un minúsculo instrumento capaz de detectar campos magnéticos extremadamente débiles. En el corazón del dispositivo de interferencia cuántica superconductora hay dos capas atómicamente delgadas de grafeno, que los investigadores combinaron con nitruro de boro. Instrumentos como este tienen aplicaciones en áreas como la medicina, además de ser utilizados para investigar nuevos materiales.
Para medir campos magnéticos muy pequeños, los investigadores a menudo utilizan dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o SQUID. En medicina, sus usos incluyen el monitoreo de la actividad cerebral o cardíaca, por ejemplo, mientras que en las ciencias de la tierra los investigadores usan SQUID para caracterizar la composición de las rocas o detectar flujos de agua subterránea. Los dispositivos también tienen una amplia gama de usos en otros campos aplicados e investigación básica.
El equipo dirigido por el profesor Christian Schönenberger del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia ha logrado crear uno de los SQUID más pequeños jamás construidos. Los investigadores describieron su logro en la revista científica. Nano letras.
Un dispositivo de interferencia cuántica superconductor convencional (SQUID) consiste en un anillo superconductor interrumpido en dos puntos por enlaces débiles (en este caso una capa de grafeno). Crédito: Universidad de Basilea, Departamento de Física
Para medir campos magnéticos muy pequeños, los investigadores a menudo utilizan dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o SQUID. En medicina, sus usos incluyen el monitoreo de la actividad cerebral o cardíaca, por ejemplo, mientras que en las ciencias de la tierra los investigadores usan SQUID para caracterizar la composición de las rocas o detectar flujos de agua subterránea. Los dispositivos también tienen una amplia gama de usos en otros campos aplicados e investigación básica.
El equipo dirigido por el profesor Christian Schönenberger del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia ha logrado crear uno de los SQUID más pequeños jamás construidos. Los investigadores describieron su logro en la revista científica Nano letras.
Un anillo superconductor con eslabones débiles
Un CALAMAR típico consiste en un anillo superconductor interrumpido en dos puntos por una película extremadamente delgada con propiedades conductoras o aislantes normales. Estos puntos, conocidos como enlaces débiles, deben ser tan delgados que los pares de electrones responsables de la superconductividad puedan atravesarlos. Los investigadores también comenzaron recientemente a usar nanomateriales como nanotubos, nanocables o grafeno para crear los eslabones débiles que conectan los dos superconductores.
El nuevo SQUID está compuesto por una pila de materiales bidimensionales, incluidas dos capas de grafeno separadas por una fina película de nitruro de boro. Crédito: Universidad de Basilea, Departamento de Física
Como resultado de su configuración, los SQUID tienen un umbral de corriente crítico por encima del cual el superconductor sin resistencia se convierte en un conductor con resistencia ordinaria. Este umbral crítico está determinado por el flujo magnético que atraviesa el anillo. Al medir esta corriente crítica con precisión, los investigadores pueden sacar conclusiones sobre la fuerza del campo magnético.
CALAMARES de seis capas
“Nuestro novedoso SQUID consiste en una compleja pila de seis capas de materiales bidimensionales individuales”, explica el autor principal, David Indolese. En su interior hay dos monocapas de grafeno separadas por una capa muy fina de nitruro de boro aislante. “Si dos contactos superconductores están conectados a este sándwich, se comporta como un CALAMAR, lo que significa que se puede usar para detectar campos magnéticos extremadamente débiles”.
En esta configuración, las capas de grafeno son los eslabones débiles, aunque a diferencia de un SQUID normal, no están colocadas una al lado de la otra, sino una encima de la otra, alineadas horizontalmente. “Como resultado, nuestro SQUID tiene una superficie muy pequeña, limitada solo por las limitaciones de la tecnología de nanofabricación”, explica el Dr. Paritosh Karnatak del equipo de Schönenberger.
El diminuto dispositivo para medir campos magnéticos tiene solo unos 10 nanómetros de alto, aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano. El instrumento puede desencadenar supercorrientes que fluyen en espacios minúsculos. Además, su sensibilidad se puede ajustar cambiando la distancia entre las capas de grafeno. Con la ayuda de campos eléctricos, los investigadores también pueden aumentar la intensidad de la señal, mejorando aún más la medición. exactitud.
Analizando aisladores topológicos
El objetivo principal del equipo de investigación de Basilea en el desarrollo de los nuevos SQUID fue analizar las corrientes de borde de los aislantes topológicos. Los aislantes topológicos son actualmente un foco de innumerables grupos de investigación en todo el mundo. En el interior, se comportan como aislantes, mientras que en el exterior, o en los bordes, conducen la corriente casi sin pérdidas, lo que los convierte en posibles candidatos para una amplia gama de aplicaciones en el campo de la electrónica.
“Con el nuevo SQUID, podemos determinar si estas supercorrientes sin pérdidas se deben a las propiedades topológicas de un material y, por lo tanto, diferenciarlas de los materiales no topológicos. Esto es muy importante para el estudio de aislantes topológicos ”, comentó Schönenberger del proyecto. En el futuro, los SQUID también podrían usarse como amplificadores de bajo ruido para señales eléctricas de alta frecuencia o, por ejemplo, para detectar ondas cerebrales locales (magnetoencefalografía), ya que su diseño compacto significa que una gran cantidad de dispositivos se pueden conectar en serie.
Referencia: “Compact SQUID Realized in a Double-Layer Graphene Heterostructure” por David I. Indolese, Paritosh Karnatak, Artem Kononov, Raphaëlle Delagrange, Roy Haller, Lujun Wang, Péter Makk, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi y Christian Schönenberger, 1 de septiembre de 2020 , Nano letras.
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c02412
El documento es el resultado de una estrecha colaboración entre grupos de la Universidad de Basilea, la Universidad de Budapest y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba (Japón).
