Разработан квантовый сенсор-пирамида для работы в сверхсильных магнитных полях

Физики из Университета Твенте в Нидерландах совершили важный прорыв в области микроэлектроники и квантовых измерений. Они разработали уникальный сверхпроводящий квантовый сенсор, который способен детально исследовать магнитные свойства перспективных квантовых материалов на нанометровом уровне. Главная особенность нового прибора заключается в его способности сохранять стабильную работоспособность в экстремальных условиях — при воздействии внешнего магнитного поля индукцией до 1 Тесла, что примерно в 20 тысяч раз превосходит силу магнитного поля нашей планеты.

В основе нового датчика лежит SQUID — сверхпроводящий квантовый интерференционный магнитометр. Это чрезвычайно чувствительный прибор, способный улавливать даже самые слабые колебания магнитного поля. Однако традиционные SQUID-сенсоры создаются на плоских кремниевых чипах. Из-за этого их сложно подвести вплотную к изучаемому объекту, а ведь сила локальных магнитных полей стремительно падает с увеличением расстояния. Кроме того, сильные внешние поля обычно разрушают состояние сверхпроводимости, делая обычные датчики бесполезными.

Чтобы решить эти проблемы, нидерландские исследователи полностью изменили геометрию устройства, отказавшись от плоской схемы. Они создали микроскопическую вертикальную пирамиду из кремния, на тончайший каркас которой нанесли слой сверхпроводящего ниобия. Сам чувствительный элемент SQUID разместили на самой вершине этой пирамиды. Такая трехмерная конструкция позволяет приблизить измерительный прибор к поверхности исследуемого материала практически вплотную, обеспечивая беспрецедентную точность и четкость получаемых данных.

Для стабильной работы и позиционирования датчика ученые интегрировали в его конструкцию четыре сверхпроводящих проводника. Первая пара отвечает непосредственно за высокоточные измерения характеристик магнитного поля. Вторая пара проводников выполняет вспомогательную, но не менее важную функцию: она позволяет оперативно управлять положением сенсора в пространстве прямо во время сканирования образца, а также тонко настраивать его чувствительность под конкретные задачи эксперимента.

Помимо выдающихся характеристик, новая технология привлекательна с практической точки зрения. Разработчики подчеркивают, что такие пирамидальные сенсоры можно массово производить на стандартных кремниевых пластинах с помощью методов, близких к традиционной литографии микросхем. За один производственный цикл на заводе можно выпускать сотни готовых чипов, причем доля полностью работоспособных датчиков достигает впечатляющих 90%. В перспективе этот метод поможет не только создавать более чувствительные научные приборы, но и откроет дорогу к производству полноценной сверхпроводящей 3D-электроники.