SQUID-anturi lähemmäksi kvanttimateriaalia

Kvanttimateriaalit tekevät asioita, joihin tavalliset materiaalit eivät pysty. Ne kuljettavat virtaa ilman häviöitä tai johtavat sähköä vain ulkoreunaansa pitkin, kun taas sisäpuoli eristää. Tulevaisuuden kvanttitietokoneet ja kvanttianturit toimivat tällaisilla materiaaleilla. Niiden parantamiseksi tutkijoiden on nähtävä tarkalleen, missä virrat ja magneettikentät kulkevat nanoskaalassa.

Tähän tarkoitukseen riittävän herkkä anturi on SQUID, suprajohtava rengas, joka rekisteröi pienimmänkin magneettisen muutoksen. Ongelmana on etäisyys. Magneettikentät heikkenevät hyvin nopeasti, joten anturin on päästävä lähelle materiaalia. Jos tällainen rengas on litteänä sirun tasossa, sirun muu osa pitää sen pian useiden mikrometrien päässä materiaalista.

Juuri tässä kohtaa yksityiskohdat katoavat. Twenten yliopisto on työskennellyt pyyhkäisy-SQUID-mikroskopian parissa vuosia kartoittaen pinnan magnetismia.

”Siksi sijoitimme anturin pyramidille”, sanoo Hans Hilgenkamp. ”Pyramidin päällä oleva anturi voidaan viedä erittäin lähelle tarkasteltavaa materiaalia. Näin voimme kuvata magnetismia siinä mittakaavassa, jossa kvanttimateriaalit tekevät työnsä.” Tämä avaa oven uusille materiaaleille, joilla on epätavallisia toimintoja.

Pyramidi on valmistettu piitä kovertamalla ja johteet ja rengas tehtiin niobiumista, joka on suprajohtavaa erittäin matalissa lämpötiloissa.

Kvanttimateriaalien tutkimus tapahtuu usein voimakkaissa magneettikentissä. Tämä on hankalaa suprajohtavalle anturille, koska juuri voimakas magneettikenttä tuhoaa suprajohtavuuden. Herkimmät anturit siis katkeavat juuri silloin, kun niitä eniten tarvitaan. Twenten anturi toimii edelleen yli 1 teslan kentässä, joka on noin kaksikymmentätuhatta kertaa Maan magneettikentän voimakkuuden suuruinen.

Lisänä on vielä yksi etu. Kärjen kehys koostuu neljästä johteesta, ja mittaukseen tarvitaan vain kaksi. Kaksi muuta jäävät ylimääräisiksi liitännöiksi. Niiden avulla tutkijat voivat ohjata anturia kärjessä ja säätää sen herkkyyttä skannauksen aikana.

Myös muut ryhmät yrittävät tehdä samanlaisia SQUID-kärjellä varustettuja antureita, mutta toistaiseksi kaikki on käsityötä. Mutta Twenten MESA+ NanoLabissa anturi valmistetaan samojen vaiheiden kautta kuin siruteollisuudessa. Kaikki tapahtuu kokonaisella piikiekolla kerralla, joten satoja pyramideja valmistetaan vierekkäin yhdessä tuotantoajossa. 80–90 prosenttia kiekon kärjistä on käyttökelpoisia.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttista tunnistusta ja elektronimikroskopiaa

Antureita atomien ja nanomittojen maailmaan

Lisää monipuolisia kvanttiantureita