可以測量最微弱磁場的微型儀器

巴塞爾大學的物理學家開發了一種微型儀器，能夠檢測極微弱的磁場。超導量子干涉裝置的核心是兩個石墨烯原子薄層，研究人員將其與氮化硼結合在一起。像這樣的儀器除了可以用于研究新材料之外，還可以應用于醫學等領域。

為了測量很小的磁場，研究人員經常使用超導量子干擾設備或SQUID。在醫學中，它們的用途包括監測大腦或心臟活動，而在地球科學中，研究人員使用SQUID來表征巖石的成分或檢測地下水流量。該設備在其他應用領域和基礎研究中也具有廣泛的用途。

由巴塞爾大學物理系的克里斯汀·舒能伯格教授和瑞士納米科學研究所領導的團隊現已成功創建了有史以來最小的SQUID之一。研究人員在科學期刊《納米快報》上描述了他們的成就。

具有弱鏈接的超導環

典型的SQUID由一個超導環組成，該超導環在兩點處被具有正常導電或絕緣特性的極薄薄膜所中斷。這些被稱為弱鏈接的點必須太薄，以至于負責超導的電子對能夠穿過它們。研究人員最近還開始使用納米材料，例如納米管，納米線或石墨烯，來形成連接兩個超導體的薄弱環節。

由于其配置，SQUID具有臨界電流閾值，高于該閾值時，無電阻的超導體將成為具有普通電阻的導體。該臨界閾值由穿過環的磁通量確定。通過精確測量該臨界電流，研究人員可以得出有關磁場強度的結論。

六層魷魚

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

a)常規的超導量子干涉裝置(SQUID)由在兩個點處被弱連接(在此情況下為石墨烯層)中斷的超導環組成。b)新的SQUID由一堆二維材料組成，包括由氮化硼薄膜隔開的兩個石墨烯層。(巴塞爾大學物理系)

在這種設置中，石墨烯層是薄弱環節，盡管與常規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，僅受納米制造技術的限制。”Schönenberger團隊的Paritosh Karnatak博士解釋說。

這種用于測量磁場的微型設備僅高約10納米，大約是人發厚度的千分之一。儀器可以觸發在微小空間中流動的超電流。此外，可以通過改變石墨烯層之間的距離來調節其靈敏度。在電場的幫助下，研究人員還能夠增加信號強度，從而進一步提高測量精度。

分析拓撲絕緣子

巴塞爾研究團隊開發新型SQUID的主要目標是分析拓撲絕緣子的邊緣電流。當前，拓撲絕緣子是全世界無數研究小組關注的焦點。在內部，它們的行為就像絕緣子，而在外部(或沿著邊緣)，它們幾乎無損地傳導電流，這使其成為電子領域廣泛應用的候選者。

“使用新的SQUID，我們可以確定這些無損超電流是否是由于材料的拓撲特性所致，從而區別于非拓撲材料。這對于拓撲絕緣子的研究非常重要，”該項目的Schönenberger說道。將來，SQUID還可以用作高頻電信號的低噪聲放大器，或者用于檢測局部腦電波(腦磁圖)，因為其緊湊的設計意味著可以串聯連接許多設備。