I fisici dell'Università di Basilea hanno sviluppato un minuscolo strumento in grado di rilevare campi magnetici estremamente deboli. Al centro del dispositivo di interferenza quantistica superconduttore ci sono due strati atomicamente sottili di grafene, che i ricercatori hanno combinato con il nitruro di boro. Strumenti come questo hanno applicazioni in settori come la medicina, oltre ad essere utilizzato per la ricerca di nuovi materiali.

Per misurare campi magnetici molto piccoli, i ricercatori usano spesso dispositivi di interferenza quantistica superconduttori, o SQUID. In medicina, i loro usi includono il monitoraggio dell'attività cerebrale o cardiaca, Per esempio, mentre nelle scienze della terra i ricercatori utilizzano gli SQUID per caratterizzare la composizione delle rocce o rilevare i flussi delle acque sotterranee. I dispositivi hanno anche un'ampia gamma di usi in altri campi applicati e nella ricerca di base.

Il team guidato dal professor Christian Schönenberger del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute è ora riuscito a creare uno dei più piccoli SQUID mai costruiti. I ricercatori hanno descritto il loro successo nella rivista scientifica Nano lettere .

Un anello superconduttore con anelli deboli

Un tipico SQUID è costituito da un anello superconduttore interrotto in due punti da un film estremamente sottile con normali proprietà conduttive o isolanti. Questi punti, noti come anelli deboli, devono essere così sottili che le coppie di elettroni responsabili della superconduttività sono in grado di attraversarli. Recentemente i ricercatori hanno anche iniziato a utilizzare nanomateriali come i nanotubi, nanofili o grafene per modellare gli anelli deboli che collegano i due superconduttori.

In conseguenza della loro configurazione, Gli SQUID hanno una soglia di corrente critica al di sopra della quale il superconduttore privo di resistenza diventa un conduttore con resistenza ordinaria. Questa soglia critica è determinata dal flusso magnetico che attraversa l'anello. Misurando con precisione questa corrente critica, i ricercatori possono trarre conclusioni sulla forza del campo magnetico.

CALAMARI a sei strati

"Il nostro romanzo SQUID consiste in un complesso, pila a sei strati di singoli materiali bidimensionali, " spiega l'autore principale David Indolese. Al suo interno ci sono due monostrati di grafene separati da uno strato molto sottile di nitruro di boro isolante. "Se due contatti superconduttori sono collegati a questo sandwich, si comporta come un calamaro, il che significa che può essere utilizzato per rilevare campi magnetici estremamente deboli."

a) Un convenzionale dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID) è costituito da un anello superconduttore interrotto in due punti da collegamenti deboli (in questo caso uno strato di grafene). b) Il nuovo SQUID è costituito da una pila di materiali bidimensionali, comprendente due strati di grafene separati da un sottile film di nitruro di boro. (Università di Basilea, Dipartimento di Fisica)

In questa configurazione, gli strati di grafene sono gli anelli deboli, anche se a differenza di un normale SQUID non sono posizionati uno accanto all'altro, ma uno sopra l'altro, allineato orizzontalmente. "Di conseguenza, il nostro SQUID ha una superficie molto ridotta, limitato solo dai vincoli della tecnologia di nanofabbricazione, " spiega il dott. Paritosh Karnatak del team di Schönenberger.

Il minuscolo dispositivo per misurare i campi magnetici è alto solo circa 10 nanometri, circa un millesimo dello spessore di un capello umano. Lo strumento può innescare supercorrenti che scorrono in spazi minuscoli. Inoltre, la sua sensibilità può essere regolata modificando la distanza tra gli strati di grafene. Con l'aiuto dei campi elettrici, i ricercatori sono anche in grado di aumentare la potenza del segnale, migliorando ulteriormente la precisione della misurazione.

Analisi degli isolanti topologici

L'obiettivo principale del team di ricerca di Basilea nello sviluppo dei nuovi SQUID era analizzare le correnti marginali degli isolanti topologici. Gli isolanti topologici sono attualmente al centro di innumerevoli gruppi di ricerca in tutto il mondo. All'interno, si comportano come isolanti, mentre all'esterno, o lungo i bordi, conducono la corrente quasi senza perdite, rendendoli possibili candidati per un'ampia gamma di applicazioni nel campo dell'elettronica.

"Con il nuovo SQUID, possiamo determinare se queste supercorrenti senza perdite sono dovute alle proprietà topologiche di un materiale, e quindi distinguerli dai materiali non topologici. Questo è molto importante per lo studio degli isolanti topologici, " ha rimarcato Schönenberger del progetto. In futuro, Gli SQUID potrebbero essere utilizzati anche come amplificatori a basso rumore per segnali elettrici ad alta frequenza, o per esempio per rilevare le onde cerebrali locali (magnetoencefalografia), poiché il loro design compatto consente il collegamento in serie di un gran numero di dispositivi.