08.09.2020 - Universität Basel

Un pequeño instrumento para medir los campos magnéticos más débiles

Las aplicaciones en áreas como la medicina, además de ser utilizadas para la investigación de nuevos materiales

Los físicos de la Universidad de Basilea han desarrollado un minúsculo instrumento capaz de detectar campos magnéticos extremadamente débiles. En el corazón del dispositivo de interferencia cuántica superconductor se encuentran dos capas atómicamente finas de grafeno, que los investigadores combinaron con nitruro de boro. Instrumentos como este tienen aplicaciones en áreas como la medicina, además de ser utilizados para investigar nuevos materiales.

Para medir los campos magnéticos muy pequeños, los investigadores a menudo utilizan dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o SQUIDs. En medicina, sus usos incluyen la vigilancia de la actividad cerebral o cardíaca, por ejemplo, mientras que en las ciencias de la tierra los investigadores utilizan los CALAMARES para caracterizar la composición de las rocas o detectar los flujos de agua subterránea. Los dispositivos también tienen una amplia gama de usos en otros campos aplicados y en la investigación básica.

El equipo dirigido por el Profesor Christian Schönenberger del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia ha logrado crear uno de los más pequeños SQUIDs jamás construidos. Los investigadores describieron su logro en la revista científica Nano Letters.

Un anillo superconductor con eslabones débiles

Un CALAMARÓN típico consiste en un anillo superconductor interrumpido en dos puntos por una película extremadamente delgada con propiedades normales de conducción o aislamiento. Estos puntos, conocidos como eslabones débiles, deben ser tan delgados que los pares de electrones responsables de la superconductividad sean capaces de hacer un túnel a través de ellos. Los investigadores también comenzaron recientemente a utilizar nanomateriales como nanotubos, nanocables o grafeno para formar los enlaces débiles que conectan los dos superconductores.

Como resultado de su configuración, los CALAMARES tienen un umbral crítico de corriente por encima del cual el superconductor sin resistencia se convierte en un conductor con resistencia ordinaria. Este umbral crítico está determinado por el flujo magnético que pasa a través del anillo. Midiendo esta corriente crítica con precisión, los investigadores pueden sacar conclusiones sobre la fuerza del campo magnético.

CALAMARES con seis capas

"Nuestro novedoso SQUID consiste en una compleja pila de seis capas de materiales bidimensionales individuales", explica el autor principal David Indolese. En su interior hay dos monocapas de grafeno separadas por una capa muy fina de nitruro de boro aislante. "Si se conectan dos contactos superconductores a este emparedado, se comporta como un CALAMARÉN - lo que significa que puede ser usado para detectar campos magnéticos extremadamente débiles".

En esta configuración, las capas de grafeno son los eslabones débiles, aunque a diferencia de un CALAMARÉN normal, no están colocadas una al lado de la otra, sino una encima de la otra, alineadas horizontalmente. "Como resultado, nuestro CALAMARÉN tiene una superficie muy pequeña, limitada sólo por las limitaciones de la tecnología de nanofabricación", explica el Dr. Paritosh Karnatak del equipo de Schönenberger.

El diminuto dispositivo para medir los campos magnéticos tiene sólo unos 10 nanómetros de altura, aproximadamente una milésima parte del grosor de un cabello humano. El instrumento puede disparar supercorrientes que fluyen en espacios minúsculos. Además, su sensibilidad puede ser ajustada cambiando la distancia entre las capas de grafeno. Con la ayuda de los campos eléctricos, los investigadores también son capaces de aumentar la fuerza de la señal, mejorando aún más la precisión de la medición.

Analizando los aislantes topológicos

El objetivo principal del equipo de investigación de Basilea en el desarrollo de los novedosos CALAMARES fue analizar las corrientes de borde de los aislantes topológicos. Los aislantes topológicos son actualmente el foco de atención de innumerables grupos de investigación en todo el mundo. Por dentro se comportan como aislantes, mientras que por fuera - o a lo largo de los bordes - conducen la corriente casi sin pérdidas, lo que los convierte en posibles candidatos para una amplia gama de aplicaciones en el campo de la electrónica.

"Con el nuevo SQUID, podemos determinar si estas supercorrientes sin pérdidas se deben a las propiedades topológicas de un material, y así distinguirlas de los materiales no topológicos. Esto es muy importante para el estudio de los aislantes topológicos", comentó Schönenberger del proyecto. En el futuro, los SQUID también podrían utilizarse como amplificadores de bajo ruido para señales eléctricas de alta frecuencia, o por ejemplo para detectar ondas cerebrales locales (magnetoencefalografía), ya que su diseño compacto permite conectar en serie un gran número de dispositivos.

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Hechos, antecedentes, expedientes
  • grafeno
  • nitruro de boro
  • superconductividad
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