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 utilizado para investigar nuevos materiales.

Para medir campos magnéticos muy pequeños, Los investigadores a menudo utilizan dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o CALAMARES. En medicina, sus usos incluyen el seguimiento de la actividad cerebral o cardíaca, por ejemplo, mientras que en las ciencias de la tierra los investigadores usan CALAMAR 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 eslabones débiles, debe ser tan delgado que los pares de electrones responsables de la superconductividad puedan atravesarlos. Recientemente, los investigadores también comenzaron a usar nanomateriales como nanotubos, nanocables o grafeno para formar los eslabones débiles que conectan los dos superconductores.

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. Midiendo esta corriente crítica con precisión, los investigadores pueden sacar conclusiones sobre la fuerza del campo magnético.

CALAMARES de seis capas

"Nuestro novedoso SQUID consta de un complejo, 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 se conectan dos contactos superconductores a este sándwich, se comporta como un CALAMAR, lo que significa que puede usarse para detectar campos magnéticos extremadamente débiles ".

a) 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). b) El nuevo SQUID está formado por una pila de materiales bidimensionales, incluyendo dos capas de grafeno separadas por una fina película de nitruro de boro. (Universidad de Basilea, Departamento de Física)

En esta configuración, las capas de grafeno son los eslabones débiles, aunque a diferencia de un CALAMAR normal, no se colocan uno al lado del otro, pero uno encima del otro, alineado horizontalmente. "Como resultado, nuestro CALAMAR tiene una superficie muy pequeña, limitado 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 parte del grosor de un cabello humano. El instrumento puede desencadenar supercorrientes que fluyen en espacios minúsculos. Es más, 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 fuerza de la señal, mejorando aún más la precisión de la medición.

Análisis de 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, haciéndolos 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 de ese modo distinguirlos de los materiales no topológicos. Esto es muy importante para el estudio de aisladores topológicos, ", comentó Schönenberger sobre el 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.