Come per gli attori e i cantanti d'opera, quando si misurano i campi magnetici aiuta ad avere un raggio d'azione.

I ricercatori della Cornell hanno utilizzato un "sandwich" di grafene ultrasottile per creare un minuscolo sensore di campo magnetico in grado di funzionare in un intervallo di temperatura più ampio rispetto ai sensori precedenti, rilevando anche minuscoli cambiamenti nei campi magnetici che potrebbero altrimenti perdersi all'interno di uno sfondo magnetico più ampio.

I ricercatori guidati da Katja Nowack, professore assistente di fisica, ha creato questo sensore ad effetto Hall su scala micron inserendo il grafene tra fogli di nitruro di boro esagonale, risultando in un dispositivo che opera in un intervallo di temperatura maggiore rispetto ai precedenti sensori di Hall.

La carta del gruppo, "Limiti di rilevamento del campo magnetico per sensori Hall in grafene ultrapuliti, " pubblicato il 20 agosto in Comunicazioni sulla natura .

La squadra era guidata da Katja Nowack, assistente professore di fisica presso il College of Arts and Sciences e autore senior del documento.

Il laboratorio di Nowack è specializzato nell'uso di sonde di scansione per condurre immagini magnetiche. Una delle loro sonde di riferimento è il dispositivo superconduttore di interferenza quantistica, o CALAMARI, che funziona bene a basse temperature e in piccoli campi magnetici.

"Volevamo ampliare la gamma di parametri che possiamo esplorare utilizzando questo altro tipo di sensore, che è il sensore ad effetto Hall, " ha detto il dottorando Brian Schaefer, l'autore principale del documento. "Può funzionare a qualsiasi temperatura, e abbiamo dimostrato che può funzionare anche con campi magnetici elevati. I sensori di Hall sono stati utilizzati in precedenza ad alti campi magnetici, ma di solito non sono in grado di rilevare piccoli cambiamenti del campo magnetico al di sopra di quel campo magnetico."

L'effetto Hall è un fenomeno ben noto nella fisica della materia condensata. Quando una corrente scorre attraverso un campione, è piegato da un campo magnetico, creando una tensione su entrambi i lati del campione che è proporzionale al campo magnetico.

I sensori ad effetto Hall sono utilizzati in una varietà di tecnologie, dai cellulari alla robotica ai freni antibloccaggio. I dispositivi sono generalmente costruiti con semiconduttori convenzionali come silicio e arseniuro di gallio.

Il gruppo di Nowack ha deciso di provare un approccio più nuovo.

L'ultimo decennio ha visto un boom nell'uso di fogli di grafene:strati singoli di atomi di carbonio, disposti in un reticolo a nido d'ape. Ma i dispositivi al grafene spesso non sono all'altezza di quelli realizzati con altri semiconduttori quando il foglio di grafene viene posizionato direttamente su un substrato di silicio; il foglio di grafene "si accartoccia" su scala nanometrica, inibendo le sue proprietà elettriche.

Il gruppo di Nowack ha adottato una tecnica sviluppata di recente per sbloccare il pieno potenziale del grafene, inserendolo tra fogli di nitruro di boro esagonale. Il nitruro di boro esagonale ha la stessa struttura cristallina del grafene ma è un isolante elettrico, che consente al foglio di grafene di rimanere piatto. Gli strati di grafite nella struttura a sandwich fungono da porte elettrostatiche per regolare il numero di elettroni che possono condurre elettricità nel grafene.

La tecnica del sandwich è stata sperimentata dal coautore Lei Wang, un ex ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science. Wang ha anche lavorato nel laboratorio del co-autore senior Paul McEuen, il John A. Newman Professor of Physical Science e co-presidente della Task Force Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), parte dell'iniziativa di collaborazione radicale del prevosto.

"L'incapsulamento con nitruro di boro esagonale e grafite rende il sistema elettronico ultrapulito, " Nowack ha detto. "Ciò ci consente di lavorare a densità di elettroni ancora più basse di quanto potessimo prima, e questo è favorevole per aumentare il segnale dell'effetto Hall a cui siamo interessati."

I ricercatori sono stati in grado di creare un sensore Hall su scala micron che funziona così come i migliori sensori Hall riportati a temperatura ambiente, superando qualsiasi altro sensore Hall a temperature fino a 4,2 kelvin (o meno 452,11 gradi Fahrenheit).

I sensori di grafene sono così precisi che possono rilevare minuscole fluttuazioni in un campo magnetico contro un campo di fondo che è più grande di sei ordini di grandezza (o un milione di volte la sua dimensione). Rilevare tali sfumature è una sfida anche per i sensori di alta qualità perché in un campo magnetico elevato, la risposta in tensione diventa non lineare e quindi più difficile da analizzare.

Nowack prevede di incorporare il sensore Hall di grafene in un microscopio a scansione di sonda per l'imaging di materiali quantistici ed esplorare fenomeni fisici, come il modo in cui i campi magnetici distruggono la superconduttività non convenzionale e i modi in cui la corrente scorre in classi speciali di materiali, come i metalli topologici.

"I sensori di campo magnetico e i sensori di Hall sono parti importanti di molte applicazioni del mondo reale, " Nowack ha detto. "Questo lavoro mette il grafene ultrapulito davvero sulla mappa per essere un materiale superiore con cui costruire le sonde di Hall. Non sarebbe molto pratico per alcune applicazioni perché è difficile realizzare questi dispositivi. Ma ci sono diversi percorsi per la crescita dei materiali e l'assemblaggio automatizzato del sandwich che le persone stanno esplorando. Una volta che hai il sandwich al grafene, puoi metterlo ovunque e integrarlo con la tecnologia esistente."