Des physiciens de l'Université de Bâle ont mis au point un minuscule instrument capable de détecter des champs magnétiques extrêmement faibles. Au cœur du dispositif supraconducteur d'interférence quantique se trouvent deux couches atomiquement minces de graphène, que les chercheurs ont combiné avec du nitrure de bore. Des instruments comme celui-ci ont des applications dans des domaines tels que la médecine, en plus d'être utilisé pour rechercher de nouveaux matériaux.

Pour mesurer de très petits champs magnétiques, les chercheurs utilisent souvent des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs, ou SQUID. En médecine, leurs utilisations incluent la surveillance de l'activité cérébrale ou cardiaque, par exemple, tandis que dans les sciences de la terre, les chercheurs utilisent des SQUID pour caractériser la composition des roches ou détecter les écoulements d'eaux souterraines. Les appareils ont également une large gamme d'utilisations dans d'autres domaines appliqués et la recherche fondamentale.

L'équipe dirigée par le professeur Christian Schönenberger du Département de physique de l'Université de Bâle et de l'Institut suisse des nanosciences a maintenant réussi à créer l'un des plus petits SQUID jamais construits. Les chercheurs ont décrit leur réalisation dans la revue scientifique Lettres nano .

Un anneau supraconducteur à maillons faibles

Un SQUID typique se compose d'un anneau supraconducteur interrompu en deux points par un film extrêmement mince avec des propriétés conductrices ou isolantes normales. Ces pointes, connu sous le nom de maillons faibles, doit être si mince que les paires d'électrons responsables de la supraconductivité puissent les traverser. Les chercheurs ont également récemment commencé à utiliser des nanomatériaux tels que les nanotubes, nanofils ou graphène pour façonner les maillons faibles reliant les deux supraconducteurs.

En raison de leur configuration, Les SQUID ont un seuil de courant critique au-dessus duquel le supraconducteur sans résistance devient un conducteur à résistance ordinaire. Ce seuil critique est déterminé par le flux magnétique traversant l'anneau. En mesurant précisément ce courant critique, les chercheurs peuvent tirer des conclusions sur la force du champ magnétique.

SQUIDs à ​​six couches

"Notre roman SQUID consiste en un complexe, pile à six couches de matériaux bidimensionnels individuels, " explique l'auteur principal David Indolese. À l'intérieur se trouvent deux monocouches de graphène séparées par une très fine couche de nitrure de bore isolant. " Si deux contacts supraconducteurs sont connectés à ce sandwich, il se comporte comme un SQUID, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour détecter des champs magnétiques extrêmement faibles."

a) Un dispositif d'interférence quantique supraconducteur conventionnel (SQUID) est constitué d'un anneau supraconducteur interrompu en deux points par des maillons faibles (dans ce cas une couche de graphène). b) Le nouveau SQUID est constitué d'un empilement de matériaux bidimensionnels, comprenant deux couches de graphène séparées par un film mince de nitrure de bore. (Université de Bâle, Département de physique)

Dans cette configuration, les couches de graphène sont les maillons faibles, bien que contrairement à un SQUID ordinaire, ils ne soient pas placés l'un à côté de l'autre, mais l'un sur l'autre, aligné horizontalement. "Par conséquent, notre SQUID a une très petite surface, limité uniquement par les contraintes de la technologie de nanofabrication, " explique le Dr Paritosh Karnatak de l'équipe de Schönenberger.

Le minuscule appareil de mesure des champs magnétiques n'a qu'une dizaine de nanomètres de haut, soit environ un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. L'instrument peut déclencher des supercourants qui circulent dans des espaces minuscules. De plus, sa sensibilité peut être ajustée en modifiant la distance entre les couches de graphène. A l'aide de champs électriques, les chercheurs sont également capables d'augmenter la force du signal, améliorant encore la précision de la mesure.

Analyse des isolants topologiques

L'objectif principal de l'équipe de recherche de Bâle dans le développement des nouveaux SQUID était d'analyser les courants de bord des isolants topologiques. Les isolants topologiques sont actuellement au centre d'innombrables groupes de recherche dans le monde entier. À l'intérieur, ils se comportent comme des isolants, tandis qu'à l'extérieur - ou le long des bords - ils conduisent le courant presque sans perte, ce qui en fait des candidats possibles pour un large éventail d'applications dans le domaine de l'électronique.

"Avec le nouveau SQUID, nous pouvons déterminer si ces supercourants sans pertes sont dus aux propriétés topologiques d'un matériau, et ainsi les distinguer des matériaux non topologiques. Ceci est très important pour l'étude des isolants topologiques, " a fait remarquer Schönenberger à propos du projet. À l'avenir, Les SQUID pourraient également être utilisés comme amplificateurs à faible bruit pour les signaux électriques à haute fréquence, ou par exemple pour détecter des ondes cérébrales locales (magnétoencéphalographie), car leur conception compacte permet de connecter un grand nombre d'appareils en série.