Como ocurre con los actores y cantantes de ópera, al medir campos magnéticos, ayuda tener alcance.

Los investigadores de Cornell utilizaron un "sándwich" de grafeno ultrafino para crear un pequeño sensor de campo magnético que puede operar en un rango de temperatura mayor que los sensores anteriores. al mismo tiempo que detecta cambios minúsculos en los campos magnéticos que de otro modo podrían perderse dentro de un fondo magnético más grande.

Investigadores dirigidos por Katja Nowack, profesor asistente de física, creó este sensor de efecto Hall a escala micrométrica intercalando grafeno entre láminas de nitruro de boro hexagonal, resultando en un dispositivo que opera en un rango de temperatura mayor que los sensores Hall anteriores.

El periódico del grupo, "Límites de detección de campo magnético para sensores de pasillo de grafeno ultralimpios, "publicado el 20 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza .

El equipo estaba dirigido por Katja Nowack, profesor asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias y autor principal del artículo.

El laboratorio de Nowack se especializa en el uso de sondas de escaneo para realizar imágenes magnéticas. Una de sus sondas de referencia es el dispositivo de interferencia cuántica superconductora, o CALAMAR, que funciona bien a bajas temperaturas y en pequeños campos magnéticos.

"Queríamos ampliar la gama de parámetros que podemos explorar mediante el uso de este otro tipo de sensor, que es el sensor de efecto Hall, "dijo el estudiante de doctorado Brian Schaefer, el autor principal del artículo. "Puede funcionar a cualquier temperatura, y hemos demostrado que también puede funcionar con campos magnéticos elevados. Los sensores Hall se han utilizado antes en campos magnéticos altos, pero por lo general no pueden detectar pequeños cambios en el campo magnético encima de ese campo magnético ".

El efecto Hall es un fenómeno bien conocido en la física de la materia condensada. Cuando una corriente fluye a través de una muestra, está curvado por un campo magnético, creando un voltaje en ambos lados de la muestra que es proporcional al campo magnético.

Los sensores de efecto Hall se utilizan en una variedad de tecnologías, desde teléfonos móviles hasta robótica y frenos antibloqueo. Los dispositivos generalmente se construyen con semiconductores convencionales como el silicio y el arseniuro de galio.

El grupo de Nowack decidió probar un enfoque más novedoso.

La última década ha sido testigo de un auge en el uso de láminas de grafeno:capas únicas de átomos de carbono, dispuestas en una celosía alveolar. Pero los dispositivos de grafeno a menudo no alcanzan a los fabricados con otros semiconductores cuando la hoja de grafeno se coloca directamente sobre un sustrato de silicio; la hoja de grafeno se "arruga" en la nanoescala, inhibiendo sus propiedades eléctricas.

El grupo de Nowack adoptó una técnica desarrollada recientemente para desbloquear todo el potencial del grafeno:intercalarlo entre láminas de nitruro de boro hexagonal. El nitruro de boro hexagonal tiene la misma estructura cristalina que el grafeno pero es un aislante eléctrico, lo que permite que la hoja de grafeno quede plana. Las capas de grafito en la estructura sándwich actúan como puertas electrostáticas para ajustar la cantidad de electrones que pueden conducir la electricidad en el grafeno.

La técnica del sándwich fue iniciada por el coautor Lei Wang, ex investigador postdoctoral del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala. Wang también trabajó en el laboratorio del coautor principal Paul McEuen, el Profesor John A. Newman de Ciencias Físicas y copresidente del Grupo de Trabajo de Ingeniería de Microsistemas y Ciencias a Nanoescala (NEXT Nano), parte de la iniciativa de Colaboración Radical del rector.

"La encapsulación con nitruro de boro hexagonal y grafito hace que el sistema electrónico sea ultralimpio, ", Dijo Nowack." Eso nos permite trabajar con densidades de electrones incluso más bajas que antes, y eso es favorable para impulsar la señal de efecto Hall que nos interesa ".

Los investigadores pudieron crear un sensor Hall a escala micrométrica que funciona tan bien como los mejores sensores Hall reportados a temperatura ambiente mientras superan a cualquier otro sensor Hall a temperaturas tan bajas como 4.2 kelvins (o menos 452.11 grados Fahrenheit).

Los sensores de grafeno son tan precisos que pueden detectar pequeñas fluctuaciones en un campo magnético contra un campo de fondo que es más grande en seis órdenes de magnitud (o un millón de veces su tamaño). Detectar tales matices es un desafío incluso para los sensores de alta calidad porque en un campo magnético alto, la respuesta de voltaje se vuelve no lineal y, por lo tanto, más difícil de analizar.

Nowack planea incorporar el sensor Hall de grafeno en un microscopio de sonda de barrido para obtener imágenes de materiales cuánticos y explorar fenómenos físicos. como cómo los campos magnéticos destruyen la superconductividad no convencional y las formas en que la corriente fluye en clases especiales de materiales, tales como metales topológicos.

"Los sensores de campo magnético y los sensores Hall son partes importantes de muchas aplicaciones del mundo real, ", Dijo Nowack." Este trabajo pone al grafeno ultralimpio realmente en el mapa por ser un material superior para construir sondas Hall. No sería realmente práctico para algunas aplicaciones porque es difícil fabricar estos dispositivos. Pero existen diferentes vías para el crecimiento de materiales y el ensamblaje automatizado del sándwich que la gente está explorando. Una vez que tenga el sándwich de grafeno, puede colocarlo en cualquier lugar e integrarlo con la tecnología existente ".