一种测量最微弱磁场的微型仪器

巴塞尔大学的物理学家开发了一种能够探测极微弱磁场的微型仪器。超导量子干涉装置的核心是两层原子级薄的石墨烯，研究人员将其与氮化硼结合在一起。像这样的仪器除了用于研究新材料外，还可以应用于医学等领域。

为了测量非常小的磁场，研究人员通常使用超导量子干涉装置或 SQUID。例如，在医学中，它们的用途包括监测大脑或心脏活动，而在地球科学研究中，研究人员使用 SQUID 来表征岩石的成分或检测地下水流。这些设备在其他应用领域和基础研究中也有广泛的用途。

由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的 Christian Schönenberger 教授领导的团队现已成功制造出有史以来最小的 SQUID 之一。研究人员在科学杂志Nano Letters 上描述了他们的成就。

具有薄弱环节的超导环

一个典型的 SQUID 由一个超导环组成，该环在两个点被具有正常导电或绝缘特性的极薄薄膜中断。这些被称为薄弱环节的点必须非常薄，以至于负责超导性的电子对能够穿过它们。研究人员最近还开始使用纳米材料，如纳米管、纳米线或石墨烯来制作连接两个超导体的薄弱环节。

由于其配置，SQUID 具有临界电流阈值，高于该阈值，无电阻超导体将变成具有普通电阻的导体。该临界阈值由通过环的磁通量确定。通过精确测量这个临界电流，研究人员可以得出关于磁场强度的结论。

六层鱿鱼

“我们的新型 SQUID 由复杂的六层独立二维材料堆叠组成，”主要作者 David Indolese 解释说。在它里面是两个石墨烯单层，由一层非常薄的绝缘氮化硼隔开。“如果两个超导触点连接到这个三明治上，它的行为就像一个 SQUID——这意味着它可以用来检测极弱的磁场。”

a) 传统的超导量子干涉装置 (SQUID) 由一个超导环组成，该环在两点被弱链接(在这种情况下为石墨烯层)中断。b) 新的 SQUID 由一堆二维材料组成，包括由氮化硼薄膜隔开的两个石墨烯层。(巴塞尔大学物理系)

在此设置中，石墨烯层是薄弱环节，尽管与常规 SQUID 相比，它们不是彼此相邻放置，而是一个叠在一起，水平对齐。“因此，我们的 SQUID 具有非常小的表面积，仅受纳米制造技术的限制，”Schönenberger 团队的 Paritosh Karnatak 博士解释说。

这种用于测量磁场的微型设备只有大约 10 纳米高——大约是人类头发厚度的千分之一。该仪器可以触发在微小空间中流动的超电流。此外，它的灵敏度可以通过改变石墨烯层之间的距离来调整。在电场的帮助下，研究人员还能够增加信号强度，进一步提高测量精度。

分析拓扑绝缘体

巴塞尔研究团队开发新型 SQUID 的主要目标是分析拓扑绝缘体的边缘电流。拓扑绝缘体目前是全世界无数研究小组的焦点。在内部，它们表现得像绝缘体，而在外部(或沿边缘)，它们几乎无损地传导电流，使它们成为电子领域广泛应用的候选者。

“通过新的 SQUID，我们可以确定这些无损超电流是否由材料的拓扑特性引起，从而将它们与非拓扑材料区分开来。这对于拓扑绝缘体的研究非常重要，”该项目的 Schönenberger 评论道。未来，SQUID 还可用作高频电信号的低噪声放大器，或例如检测局部脑电波(脑磁图)，因为其紧凑的设计意味着可以串联大量设备。

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