Minuscule piramidesensor toont magnetisme in quantummaterialen

Elke telefoon, laptop en elk stroomnet is afhankelijk van materialen die elektriciteit geleiden. Wetenschappers werken nu met een nieuwe generatie zogeheten quantummaterialen, die zich gedragen op manieren waartoe gewone metalen niet in staat zijn. Sommige geleiden stroom zonder enig energieverlies. Andere geleiden alleen langs hun buitenrand, terwijl de binnenkant isolerend blijft. Zulke materialen kunnen ooit quantumcomputers, zuinigere elektronica en uiterst nauwkeurige sensoren aandrijven.

Om ze te ontwikkelen moeten onderzoekers echter kunnen zien wat er vanbinnen gebeurt: waar de elektrische stromen lopen en waar de magneetvelden die ze opwekken het sterkst zijn. Die patronen spelen zich af op de schaal van nanometers, duizenden keren dunner dan een mensenhaar.

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben nu een instrument gebouwd dat precies dat kan. Ze publiceerden hun resultaten deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Applied.

Dichtbij genoeg om te zien

De gevoeligste manier om magnetisme te meten is een apparaatje dat SQUID heet: een piepklein ringetje van een supergeleider, een materiaal dat elektriciteit perfect geleidt wanneer het tot zeer lage temperaturen wordt afgekoeld. Een SQUID registreert magnetische veranderingen die veel te zwak zijn voor elk gewoon meetinstrument.

Het probleem is de afstand. Magnetische signalen worden heel snel zwakker naarmate je verder van de bron af komt. Normaal gesproken ligt een SQUID plat op een chip, en die chip houdt de ring zelf al een paar micrometer verwijderd van wat er gemeten wordt. Op die afstand vervagen de fijnste details.

De oplossing van het Twentse team: de sensor omhoog tillen. Ze plaatsten de supergeleidende ring op de punt van een microscopisch kleine piramide van slechts enkele micrometers hoog, die vastzit aan een dun, buigzaam armpje. Dat armpje beweegt over een oppervlak zoals de naald van een platenspeler, zodat de sensor vrijwel direct over het materiaal gaat en het magnetisme punt voor punt in kaart brengt.

“Op de top van die piramide kan de sensor vlak bij het materiaal worden gebracht dat we willen bekijken, zonder dat er iets anders in de weg zit. Zo brengen we magnetisme in beeld op de schaal waarop quantummaterialen hun werk doen", legt professor Hans Hilgenkamp uit.

Gebouwd als een computerchip

De piramide wordt gemaakt met een techniek die aan dezelfde universiteit is ontwikkeld. Onderzoekers etsen piramidevormige putjes in silicium, het materiaal waarvan computerchips worden gemaakt, en houden daarna alleen een ultrafijn draadframe over langs de ribben van de piramide. Die draadjes krijgen een laagje niobium, een metaal dat supergeleidend wordt als het koud is, en de ring aan de top wordt afgewerkt met een nauwkeurige bundel geladen deeltjes.

Vergelijkbare sensoren bestaan elders ook, maar die worden met de hand gemaakt, één voor één, met wisselende resultaten. De Twentse methode gebruikt hetzelfde soort processen als de chipindustrie en levert honderden sensoren op één siliciumschijf op. Zo'n 80 tot 90% daarvan werkt.

De sensor heeft nog een praktisch voordeel. Sterke magneetvelden maken supergeleiding meestal kapot, terwijl wetenschappers juist die velden vaak nodig hebben om quantummaterialen te bestuderen. De nieuwe sensor blijft werken in velden die zo'n 20.000 keer sterker zijn dan dat van de aarde.

Waarom dit belangrijk is

Een beter meetinstrument maakt vaak ontdekkingen mogelijk. Zoals betere microscopen de weg openden naar het onderzoek aan cellen, kunnen instrumenten als deze onderzoekers helpen de materialen achter toekomstige technologieën te begrijpen en te ontwerpen.

De Enschedese microscoopfabrikant Bruker werkte mee aan het project, waardoor het vooruitzicht ontstaat dat andere laboratoria de sensor uiteindelijk kunnen kopen in plaats van hem zelf te bouwen. Het werk maakt deel uit van QuMat, een tienjarig nationaal onderzoeksprogramma naar materialen voor het quantumtijdperk.