Minuscule piramide meet met de hoogste gevoeligheid

Een quantumsensor hoeft niet plat te zijn. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben het gevoelige deel van een supergeleidende magneetsensor daarom een keer de hoogte in gebouwd. Door een minuscuul ringetje boven op een driedimensionale piramide te plaatsen, kan het meetelement veel dichter bij een materiaaloppervlak komen. Dat moet magnetische structuren zichtbaar maken die bij conventionele, vlakke sensoren gemakkelijk buiten beeld blijven.

De sensor is een Superconducting Quantum Interference Device, een minuscuul supergeleidende ring dat uiterst kleine veranderingen in een magnetisch veld kan detecteren. Dergelijke sensoren worden onder meer gebruikt om te onderzoeken hoe elektrische stromen en magnetische velden zich op nanoschaal gedragen in quantummaterialen.

Bij bestaande soortgelijke systemen vormt de geometrie een beperking. Wanneer de sensor plat op een chip ligt, verhinderen omliggende delen van de chip dat het meetelement dicht bij het materiaaloppervlak komt. Op een afstand van enkele micrometers zijn veel kleine magnetische structuren al moeilijk van elkaar te onderscheiden. De Twentse onderzoekers plaatsten het meetringetje daarom boven op een nanopiramide. Het ringetje zelf kan slechts ongeveer 100 nanometer groot worden gemaakt. Omdat alleen de punt het oppervlak nadert, kan de sensor zeer dicht langs het materiaal bewegen. De piramide bevindt zich aan het uiteinde van een flexibele tastarm waarmee een oppervlak wordt gescand.

Siliciumstructuur

De onderzoekers combineren supergeleidende elektronica met hoeklithografie, een in Twente ontwikkelde techniek voor het maken van driedimensionale nanostructuren. Eerst wordt een omgekeerde piramide in een siliciumwafer geëtst. Via verschillende materiaal- en etsstappen blijven langs de ribben uiterst dunne draadstructuren over. Vervolgens wordt het omringende silicium verwijderd, waardoor een open piramidevormig frame ontstaat. De draadjes krijgen een laag niobium, dat bij zeer lage temperaturen supergeleidend wordt. Met een bundel geladen deeltjes worden vervolgens twee vernauwingen in het ringetje aangebracht die nodig zijn voor de werking als SQUID.

Een belangrijk voordeel is dat de sensor ook in relatief sterke magnetische velden blijft functioneren. Dat is relevant omdat juist zulke velden vaak worden gebruikt om de eigenschappen van quantummaterialen te onderzoeken, terwijl sterke magnetische velden supergeleiding kunnen verstoren. De productiemethode onderscheidt zich volgens de onderzoekers ook van bestaande SQUID-on-tip-sensoren. Die worden doorgaans afzonderlijk gemaakt door een glazen buis tot een zeer fijne punt te trekken en daar een supergeleidend materiaal op aan te brengen. Dat is arbeidsintensief en maakt reproduceerbare serieproductie lastig.

Aan het onderzoek werkte ook de Enschedese meetapparatuurfabrikant Bruker mee. De ontwikkeling maakt deel uit van het tienjarige onderzoeksprogramma QuMat, waarin Nederlandse onderzoekers nieuwe quantummaterialen en de meetinstrumenten daarvoor ontwikkelen.