Новый вертикальный квантовый сенсор работает в магнитных полях в 20 000 раз сильнее земного

Исследователи из Университета Твенте в Нидерландах построили вертикальный квантовый сенсор, который может измерять наноразмерные структуры в квантовых материалах и работает в магнитном поле 1 тесла — в 20 000 раз сильнее земного.

Недавние достижения в понимании квантовых технологий и свойств квантовых материалов привели к быстрому развитию новых применений. Чтобы усовершенствовать эти применения и вывести их в реальный мир, учёным нужно глубже понять, как токи и магнитные поля действуют в этих материалах.

Поскольку квантовые технологии работают на наноразмерах, учёным также нужно создавать сенсоры, способные работать в этих масштабах. Сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор — сверхчувствительный магнитометр, способный измерять чрезвычайно слабые магнитные поля. Однако магнитные поля ослабевают с расстоянием, поэтому сенсор должен оставаться очень близко к материалу для проведения измерений.

Сенсор, лежащий плоско в плоскости квантового чипа, не может уловить детали магнитных полей на расстоянии нескольких микрометров. Поэтому исследовательская группа под руководством Ханса Хилгенкампа, профессора прикладной физики и нанотехнологий в Университете Твенте, построила вертикальный сенсор, поместив его на пирамиду и приблизив его как можно ближе к квантовым чипам, чтобы увидеть, как квантовые материалы выполняют свою работу.

Как был построен сенсор

Вместо того чтобы строить пирамиду, исследовательская группа выдолбила её из среза кремния. Для этого они использовали жидкость, чтобы вытравить ямки в форме пирамид, и поместили на них тонкую плёнку стеклообразного материала. Когда плёнка удаляется, материал остаётся только на краях. Техника известна как угловая литография и оставляет только каркас из чрезвычайно тонких проводов, идущих по краям пирамиды.

Когда окружающий кремний удаляется, пирамида остаётся стоять вертикально на конце тонкой руки. Затем исследователи добавили слой ниобия, сверхпроводящего металла, поверх проводов и затем расщепили две перетяжки наверху в кольцо, используя пучок заряженных частиц, чтобы завершить сенсор.

Традиционно чипы делаются в плоских плоскостях, и хотя укладка становится всё более распространённой, её можно достичь только слой за слоем. Создание квантового сенсора показывает, что трёхмерные структуры с работающей электроникой внутри них также могут быть сделаны.

Преимущества сенсора

Исследования квантовых материалов часто происходят в областях с сильными магнитными полями. Однако это плохо работает для сверхпроводящего сенсора, поскольку сильные магнитные поля разрушают его сверхпроводимость, делая их довольно бесполезными, когда они действительно нужны.

Пирамидальный сенсор работает надёжно при 1 тесла — в 20 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Ещё одно преимущество в том, что каркас сенсора имеет четыре провода, но для измерений магнитного поля нужны только два. Исследователи используют два других наконечника, чтобы управлять сенсором и настраивать его чувствительность во время сканирования.

Большая часть работы по созданию сенсора выполнялась вручную до сих пор. Это исследование показывает, что создание этих сенсоров в масштабе из кремниевой пластины, во многом как делаются компьютерные чипы, также теперь возможно. Исследователи добавили, что сотни таких сенсоров могут быть сделаны за один прогон, причём почти 90 процентов чипов будут пригодны для использования.