巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種微型儀器，能夠檢測(cè)極微弱的磁場(chǎng)。超導(dǎo)量子干涉裝置的核心是兩個(gè)石墨烯原子薄層，研究人員將其與氮化硼結(jié)合在一起。像這樣的儀器除了可以用于研究新材料之外，還可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

為了測(cè)量很小的磁場(chǎng)，研究人員經(jīng)常使用超導(dǎo)量子干擾設(shè)備或SQUID。在醫(yī)學(xué)中，它們的用途包括監(jiān)測(cè)大腦或心臟活動(dòng)，而在地球科學(xué)中，研究人員使用SQUID來(lái)表征巖石的成分或檢測(cè)地下水流量。該設(shè)備在其他應(yīng)用領(lǐng)域和基礎(chǔ)研究中也具有廣泛的用途。

由巴塞爾大學(xué)物理系的克里斯汀·舒能伯格教授和瑞士納米科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功創(chuàng)建了有史以來(lái)最小的SQUID之一。研究人員在科學(xué)期刊《納米快報(bào)》上描述了他們的成就。

具有弱鏈接的超導(dǎo)環(huán)

典型的SQUID由一個(gè)超導(dǎo)環(huán)組成，該超導(dǎo)環(huán)在兩點(diǎn)處被具有正常導(dǎo)電或絕緣特性的極薄薄膜所中斷。這些被稱(chēng)為弱鏈接的點(diǎn)必須太薄，以至于負(fù)責(zé)超導(dǎo)的電子對(duì)能夠穿過(guò)它們。研究人員最近還開(kāi)始使用納米材料，例如納米管，納米線(xiàn)或石墨烯，來(lái)形成連接兩個(gè)超導(dǎo)體的薄弱環(huán)節(jié)。

由于其配置，SQUID具有臨界電流閾值，高于該閾值時(shí)，無(wú)電阻的超導(dǎo)體將成為具有普通電阻的導(dǎo)體。該臨界閾值由穿過(guò)環(huán)的磁通量確定。通過(guò)精確測(cè)量該臨界電流，研究人員可以得出有關(guān)磁場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)論。

六層魷魚(yú)

主要作者戴維·英多尼斯(David Indolese)解釋說(shuō)：“我們的新型SQUID由復(fù)雜的六層堆疊的二維材料組成。” 它的內(nèi)部是兩個(gè)石墨烯單層，由一層非常薄的絕緣氮化硼隔開(kāi)。“如果將兩個(gè)超導(dǎo)觸點(diǎn)連接到此三明治結(jié)構(gòu)，則其行為類(lèi)似于SQUID，這意味著它可用于檢測(cè)極弱的磁場(chǎng)。”

a)常規(guī)的超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)由在兩個(gè)點(diǎn)處被弱連接(在此情況下為石墨烯層)中斷的超導(dǎo)環(huán)組成。b)新的SQUID由一堆二維材料組成，包括由氮化硼薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)石墨烯層。(巴塞爾大學(xué)物理系)

在這種設(shè)置中，石墨烯層是薄弱環(huán)節(jié)，盡管與常規(guī)SQUID相比，它們并不是彼此相鄰放置，而是彼此水平排列。“因此，我們的SQUID表面積很小，僅受納米制造技術(shù)的限制。”Schönenberger團(tuán)隊(duì)的Paritosh Karnatak博士解釋說(shuō)。

這種用于測(cè)量磁場(chǎng)的微型設(shè)備僅高約10納米，大約是人發(fā)厚度的千分之一。儀器可以觸發(fā)在微小空間中流動(dòng)的超電流。此外，可以通過(guò)改變石墨烯層之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)其靈敏度。在電場(chǎng)的幫助下，研究人員還能夠增加信號(hào)強(qiáng)度，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

分析拓?fù)浣^緣子

巴塞爾研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新型SQUID的主要目標(biāo)是分析拓?fù)浣^緣子的邊緣電流。當(dāng)前，拓?fù)浣^緣子是全世界無(wú)數(shù)研究小組關(guān)注的焦點(diǎn)。在內(nèi)部，它們的行為就像絕緣子，而在外部(或沿著邊緣)，它們幾乎無(wú)損地傳導(dǎo)電流，這使其成為電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的候選者。

“使用新的SQUID，我們可以確定這些無(wú)損超電流是否是由于材料的拓?fù)涮匦运拢瑥亩鴧^(qū)別于非拓?fù)洳牧?。這對(duì)于拓?fù)浣^緣子的研究非常重要，”該項(xiàng)目的Schönenberger說(shuō)道。將來(lái)，SQUID還可以用作高頻電信號(hào)的低噪聲放大器，或者用于檢測(cè)局部腦電波(腦磁圖)，因?yàn)槠渚o湊的設(shè)計(jì)意味著可以串聯(lián)連接許多設(shè)備。