Adelaide gebruikt lussen zonder juncties om SQUID-arrays tot absolute magnetometers te maken

Een studie in Physical Review Applied laat zien dat supergeleidende lussen zonder juncties de wisselende lusgroottes van SQIF-sensoren nabootsen en de fabricage vereenvoudigen.

Deze pagina is vertaald vanuit het Engels. Bedrijfs- en productnamen en bronlinks zijn ongewijzigd. Lees het origineel in het Engels

Onderzoekers van Adelaide University in Zuid-Australië beschrijven een eenvoudiger manier om arrays van supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten (SQUID's) te bouwen die absolute magnetische velden kunnen meten, zonder de gevoeligheid op te geven die ze aantrekkelijk maakt. Het werk van promovendi Ross Monaghan en Jonathan Marenkovic en universitair hoofddocent Giuseppe Tettamanzi van de Quantum and Nano Technology Group (QuaNTeG) van de universiteit werd op 26 oktober gepubliceerd in Physical Review Applied (jaargang 26, artikel 044077); de volledige tekst staat ook op arXiv.

Het probleem

SQUID's zijn lussen van supergeleidend materiaal die worden onderbroken door Josephson-juncties en behoren tot de gevoeligste magneetvelddetectoren die er bestaan. Door veel SQUID-lussen te combineren in een tweedimensionale array ontstaan zeer krachtige radiofrequente sensoren. Het nadeel is volgens de universiteit dat deze apparaten moeite hebben om vast te stellen wanneer een magnetisch veld precies nul is.

De gebruikelijke oplossing, toegepast in supergeleidende kwantuminterferentiefilters (SQIF's), is om de oppervlakken van de lussen bewust ongelijk te maken, zodat de array als absolute magnetometer kan werken. Volgens de studie botst die eis met het optimaliseren van elke afzonderlijke lus: wie de grootte van een lus verandert, verandert ook de inductantie en een belangrijke ontwerpparameter die nauwkeurig moet worden beheerst voor goede prestaties. Dat compromis verhindert dat zulke arrays hun volle potentieel bereiken, dat de auteurs omschrijven als alleen begrensd door de standaard kwantumlimiet. De aankondiging van de universiteit merkt op dat bestaande ontwerpen honderden of zelfs duizenden lussen van verschillende grootte kunnen vereisen.

De technische details

Het team in Adelaide hield alle lussen even groot en verving in plaats daarvan geselecteerde lussen door "kale" supergeleidende secties zonder Josephson-juncties. Deze kale lussen veranderen hoe de magnetische flux zich door het circuit verdeelt, waardoor de array zich gedraagt alsof de lussen verschillende oppervlakken hebben. De auteurs noemen dit een "synthetische oppervlaktespreiding" en leiden een analytische formule af die de rangschikking van de kale lussen koppelt aan de equivalente spreiding van fysieke oppervlakken.

Daarna fabriceerden ze verschillende tweedimensionale SQIF-arrays met kale lussen en lieten die bij zeer lage temperaturen werken. Volgens de onderzoekers gedroegen de gemeten apparaten zich in overeenstemming met de theorie.

"Door zorgvuldig geplaatste kale lussen in te voeren, kunnen we hetzelfde resultaat bereiken en tegelijk de voorwaarden behouden die nodig zijn voor maximale gevoeligheid," aldus Tettamanzi.

Waarom het ertoe doet

Als uniforme lussen volstaan, hoeven fabrikanten geen grote arrays met veel verschillende lusgeometrieën meer te maken, wat de apparaten volgens de universiteit eenvoudiger en goedkoper te bouwen kan maken. Als mogelijke toepassingen noemt de universiteit hersenmonitoring, gevoeligere radiofrequente ontvangers, communicatie met weinig ruis en elektromagnetische detectie.

Waar op te letten

De universiteit zegt dat er meer tests nodig zijn voordat de technologie kan worden gecommercialiseerd. Het concept valt onder een internationale octrooiaanvraag en vervolgstudies om de prestaties te verbeteren en nieuwe toepassingen te verkennen zijn al gaande. The Quantum Insider publiceerde de mededeling van de universiteit op 2 november.