可以测量最微弱磁场的微型仪器

巴塞尔大学的物理学家开发了一种微型仪器，能够检测极微弱的磁场。超导量子干涉装置的核心是两个石墨烯原子薄层，研究人员将其与氮化硼结合在一起。像这样的仪器除了可以用于研究新材料之外，还可以应用于医学等领域。

为了测量很小的磁场，研究人员经常使用超导量子干扰设备或SQUID。在医学中，它们的用途包括监测大脑或心脏活动，而在地球科学中，研究人员使用SQUID来表征岩石的成分或检测地下水流量。该设备在其他应用领域和基础研究中也具有广泛的用途。

由巴塞尔大学物理系的克里斯汀·舒能伯格教授和瑞士纳米科学研究所领导的团队现已成功创建了有史以来最小的SQUID之一。研究人员在科学期刊《纳米快报》上描述了他们的成就。

具有弱链接的超导环

典型的SQUID由一个超导环组成，该超导环在两点处被具有正常导电或绝缘特性的极薄薄膜所中断。这些被称为弱链接的点必须太薄，以至于负责超导的电子对能够穿过它们。研究人员最近还开始使用纳米材料，例如纳米管，纳米线或石墨烯，来形成连接两个超导体的薄弱环节。

由于其配置，SQUID具有临界电流阈值，高于该阈值时，无电阻的超导体将成为具有普通电阻的导体。该临界阈值由穿过环的磁通量确定。通过精确测量该临界电流，研究人员可以得出有关磁场强度的结论。

六层鱿鱼

主要作者戴维·英多尼斯(David Indolese)解释说：“我们的新型SQUID由复杂的六层堆叠的二维材料组成。” 它的内部是两个石墨烯单层，由一层非常薄的绝缘氮化硼隔开。“如果将两个超导触点连接到此三明治结构，则其行为类似于SQUID，这意味着它可用于检测极弱的磁场。”

a)常规的超导量子干涉装置(SQUID)由在两个点处被弱连接(在此情况下为石墨烯层)中断的超导环组成。b)新的SQUID由一堆二维材料组成，包括由氮化硼薄膜隔开的两个石墨烯层。(巴塞尔大学物理系)

在这种设置中，石墨烯层是薄弱环节，尽管与常规SQUID相比，它们并不是彼此相邻放置，而是彼此水平排列。“因此，我们的SQUID表面积很小，仅受纳米制造技术的限制。”Schönenberger团队的Paritosh Karnatak博士解释说。

这种用于测量磁场的微型设备仅高约10纳米，大约是人发厚度的千分之一。仪器可以触发在微小空间中流动的超电流。此外，可以通过改变石墨烯层之间的距离来调节其灵敏度。在电场的帮助下，研究人员还能够增加信号强度，从而进一步提高测量精度。

分析拓扑绝缘子

巴塞尔研究团队开发新型SQUID的主要目标是分析拓扑绝缘子的边缘电流。当前，拓扑绝缘子是全世界无数研究小组关注的焦点。在内部，它们的行为就像绝缘子，而在外部(或沿着边缘)，它们几乎无损地传导电流，这使其成为电子领域广泛应用的候选者。

“使用新的SQUID，我们可以确定这些无损超电流是否是由于材料的拓扑特性所致，从而区别于非拓扑材料。这对于拓扑绝缘子的研究非常重要，”该项目的Schönenberger说道。将来，SQUID还可以用作高频电信号的低噪声放大器，或者用于检测局部脑电波(脑磁图)，因为其紧凑的设计意味着可以串联连接许多设备。