Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
L’Università di Twente, nei Paesi Bassi, ha sviluppato un sensore quantistico verticale capace di effettuare misurazioni su scala nanometrica anche all’interno di campi magnetici estremamente intensi. Il dispositivo è stato testato a 1 Tesla, un’intensità circa 20.000 volte superiore a quella del campo magnetico terrestre. Il risultato affronta uno dei limiti dei sensori superconduttivi utilizzati per studiare i materiali quantistici.
Origine e sviluppo del sensore quantistico verticale
La ricerca è stata guidata da Hans Hilgenkamp, professore di Fisica applicata e Nanotecnologia all’Università di Twente. L’obiettivo era realizzare un dispositivo capace di avvicinarsi il più possibile ai chip quantistici, così da rilevare i dettagli dei campi magnetici su scala nanometrica.
Per riuscirci, gli scienziati hanno abbandonato la tradizionale configurazione piatta e hanno realizzato il sensore su una struttura a forma di piramide. La struttura viene ricavata da una sottile lastra di silicio attraverso un processo di incisione chimica. Successivamente, una pellicola molto sottile viene depositata sulla superficie e rimossa in modo da lasciare un insieme di fili estremamente sottili lungo i bordi.
Sensori quantistici: oltre i limiti delle tecnologie attuali
I ricercatori sono partiti dai cosiddetti SQUID, dispositivi estremamente sensibili utilizzati per misurare campi magnetici molto deboli. Il problema è che la loro efficacia può venire meno proprio negli ambienti caratterizzati da campi magnetici molto forti, dove la superconduttività rischia di essere compromessa.
Il nuovo sensore affronta il problema attraverso la sua particolare geometria. La struttura verticale permette infatti di portare l’elemento di rilevazione più vicino al materiale quantistico, mentre la configurazione tridimensionale consente di lavorare in condizioni che risultano problematiche per i dispositivi tradizionali.
Nuove applicazioni nei campi magnetici estremi
Uno dei principali vantaggi dimostrati riguarda proprio la possibilità di operare a 1 Tesla. Si tratta di una condizione particolarmente rilevante per la ricerca sui materiali quantistici, che spesso richiede campi magnetici intensi per studiare il comportamento delle correnti e dei campi all’interno dei materiali.
Il sensore dispone inoltre di quattro fili, anche se soltanto due sono necessari per effettuare le misurazioni magnetiche. Gli altri due possono essere utilizzati per controllare il sensore e regolarne la sensibilità durante la scansione.
Vertical quantum sensor: un nuovo paradigma di sensibilità
La novità non riguarda soltanto la resistenza ai campi magnetici. Il progetto dimostra anche che è possibile costruire strutture elettroniche tridimensionali funzionanti, superando la tradizionale impostazione dei chip realizzati su superfici piane.
La forma verticale consente inoltre di affrontare un problema specifico delle misurazioni: un sensore disposto sul piano di un chip quantistico può avere difficoltà a rilevare i dettagli dei campi magnetici che si trovano a diversi micrometri di distanza. La nuova geometria permette di avvicinare maggiormente il dispositivo alla zona da analizzare.
Innovazione e futuro dei sensori quantistici
Un altro elemento importante riguarda la possibilità di produrre i sensori su scala più ampia. Finora gran parte della realizzazione degli SQUID è stata eseguita manualmente. Il nuovo approccio, invece, utilizza una tecnica basata sul silicio simile a quella impiegata nella produzione dei chip.
Secondo i ricercatori, ciò permette di realizzare centinaia di sensori in una singola lavorazione, con una percentuale di chip utilizzabili vicina al 90%. Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Applied.
Le prospettive per la ricerca e l’industria
La realizzazione del sensore verticale amplia quindi gli strumenti disponibili per lo studio dei materiali quantistici, soprattutto quando gli esperimenti richiedono campi magnetici particolarmente intensi. La tecnologia mostra inoltre che l’elettronica tridimensionale può essere integrata in strutture estremamente piccole e utilizzata per attività di rilevazione su scala nanometrica.
La possibilità di produrre questi dispositivi direttamente a partire da wafer di silicio potrebbe inoltre rendere più semplice la realizzazione di sensori multipli, fornendo alla ricerca nuovi strumenti per analizzare correnti e campi magnetici nei materiali quantistici.
Fonte: Interesting Engineering
