Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een supergeleidende magneetsensor ontwikkeld die magnetische velden op nanoschaal met uitzonderlijke gevoeligheid kan meten. Dankzij een innovatieve productietechniek kunnen honderden sensoren tegelijk op een siliciumwafer worden vervaardigd. Daarmee zet de universiteit een stap richting schaalbare productie van meetinstrumenten voor de ontwikkeling van quantumtechnologie. Ook meetapparatuurfabrikant Bruker uit Enschede was bij het onderzoek betrokken.
De nieuwe sensor bestaat uit een supergeleidend ringetje van enkele honderden nanometers, dat zich op de top van een piramide van enkele micrometers hoog bevindt. Door deze constructie kan de sensor zeer dicht bij het oppervlak van een materiaal worden gebracht om lokale magnetische velden te meten.
Dat is van belang voor het onderzoek naar quantummaterialen, die onder meer worden ontwikkeld voor toekomstige quantumcomputers en quantumsensoren. Om de eigenschappen van deze materialen beter te begrijpen, moeten onderzoekers magnetische verschijnselen op uiterst kleine schaal kunnen waarnemen.
Bestaande sensoren liggen doorgaans plat in het vlak van een chip, waardoor ze niet dicht genoeg bij het te onderzoeken oppervlak kunnen komen.
‘Wij zetten de sensor daarom op een piramide’, zegt hoogleraar Hans Hilgenkamp van de Universiteit Twente. ‘Zo kunnen we hem vlak bij het materiaal brengen dat we willen bekijken.’
Hoeklithografie maakt serieproductie mogelijk
Een belangrijk aspect van de ontwikkeling is de toegepaste productietechnologie. De onderzoekers maken gebruik van hoeklithografie, een techniek die aan de Universiteit Twente is ontwikkeld.
Daarbij wordt eerst een piramidevormige holte aangebracht in een siliciumwafer. Vervolgens blijft langs de randen een frame van uiterst dunne draadjes achter, waarmee de supergeleidende sensor wordt gevormd.
Het productieproces vindt plaats in het MESA+ NanoLab van de Universiteit Twente. Anders dan vergelijkbare SQUID-on-tip-sensoren, die handmatig op de punt van een glazen buisje worden vervaardigd, kunnen de Twentse sensoren met honderden tegelijk op een siliciumwafer worden geproduceerd.
Die wafergebaseerde productiemethode biedt perspectief voor verdere opschaling en reproduceerbare fabricage van quantumsensoren. Daarmee is de ontwikkeling niet alleen relevant voor fundamenteel materiaalonderzoek, maar ook voor de verdere industrialisatie van quantumtechnologie.
Gevoelig bij sterke magneetvelden
De sensor combineert een hoge meetgevoeligheid met het vermogen om onder extreme omstandigheden te functioneren.
Zo blijft de sensor werken in magneetvelden van meer dan 1 tesla, ongeveer twintigduizend keer sterker dan het aardmagnetisch veld. Dat is bijzonder, omdat sterke magneetvelden normaal gesproken de supergeleidende eigenschappen van materialen verstoren.
Tegelijkertijd kan de sensor magnetische velden van slechts enkele nanotesla detecteren, ongeveer tienduizend keer zwakker dan het aardmagnetisch veld.
Deze combinatie maakt het mogelijk om magnetische eigenschappen van quantummaterialen op nanoschaal te onderzoeken, ook onder omstandigheden waarin conventionele supergeleidende sensoren niet meer functioneren.
Samenwerking met Bruker
Aan het onderzoek werkten ook medewerkers mee van meetapparatuurfabrikant Bruker in Enschede. Het project komt voort uit het Nederlandse Zwaartekrachtprogramma QuMat, waarin verschillende universiteiten samenwerken aan de ontwikkeling en het begrip van materialen voor quantumtechnologie.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Applied.
Voor de Nederlandse hightechindustrie laat de ontwikkeling zien hoe geavanceerde nanofabricage kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe meetinstrumenten voor quantumtechnologie. De mogelijkheid om sensoren gelijktijdig op een siliciumwafer te produceren, vormt daarbij een belangrijke stap van laboratoriumontwikkeling naar schaalbare fabricage.
