Tal como acontece com os atores e cantores de ópera, ao medir campos magnéticos, ajuda ter alcance.

Os pesquisadores da Cornell usaram um "sanduíche" de grafeno ultrafino para criar um minúsculo sensor de campo magnético que pode operar em uma faixa de temperatura maior do que os sensores anteriores, enquanto também detecta mudanças minúsculas em campos magnéticos que poderiam se perder em um fundo magnético maior.

Pesquisadores liderados por Katja Nowack, professor assistente de física, criou este sensor de efeito Hall em escala de mícron imprensando grafeno entre folhas de nitreto de boro hexagonal, resultando em um dispositivo que opera em uma faixa de temperatura maior do que os sensores Hall anteriores.

O jornal do grupo, "Limites de detecção de campo magnético para sensores Hall de grafeno ultracleanos, "publicado em 20 de agosto em Nature Communications .

A equipe era liderada por Katja Nowack, professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências e autor sênior do artigo.

O laboratório de Nowack é especializado no uso de sondas de varredura para conduzir imagens magnéticas. Uma de suas sondas importantes é o dispositivo supercondutor de interferência quântica, ou SQUID, que funciona bem em baixas temperaturas e em pequenos campos magnéticos.

"Queríamos expandir a gama de parâmetros que podemos explorar usando este outro tipo de sensor, que é o sensor de efeito Hall, "disse o estudante de doutorado Brian Schaefer, o autor principal do artigo. "Pode funcionar a qualquer temperatura, e mostramos que também pode funcionar em campos magnéticos elevados. Sensores Hall já foram usados ​​em campos magnéticos elevados antes, mas geralmente não são capazes de detectar pequenas mudanças no campo magnético no topo desse campo magnético. "

O efeito Hall é um fenômeno bem conhecido na física da matéria condensada. Quando uma corrente flui através de uma amostra, é dobrado por um campo magnético, criar uma tensão em ambos os lados da amostra que é proporcional ao campo magnético.

Sensores de efeito Hall são usados ​​em uma variedade de tecnologias, de telefones celulares a robótica e freios antibloqueio. Os dispositivos são geralmente construídos com semicondutores convencionais, como silício e arseneto de gálio.

O grupo de Nowack decidiu tentar uma abordagem mais inovadora.

A última década viu um boom no uso de folhas de grafeno - camadas únicas de átomos de carbono, dispostos em uma estrutura de favo de mel. Mas os dispositivos de grafeno muitas vezes ficam aquém daqueles feitos de outros semicondutores quando a folha de grafeno é colocada diretamente em um substrato de silício; a folha de grafeno "se enruga" em nanoescala, inibindo suas propriedades elétricas.

O grupo de Nowack adotou uma técnica desenvolvida recentemente para liberar todo o potencial do grafeno - imprensando-o entre folhas de nitreto de boro hexagonal. O nitreto de boro hexagonal tem a mesma estrutura cristalina do grafeno, mas é um isolante elétrico, o que permite que a folha de grafeno fique plana. Camadas de grafite na estrutura em sanduíche agem como portas eletrostáticas para ajustar o número de elétrons que podem conduzir eletricidade no grafeno.

A técnica do sanduíche foi iniciada pelo co-autor Lei Wang, um ex-pesquisador de pós-doutorado com o Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science. Wang também trabalhou no laboratório do co-autor sênior Paul McEuen, o John A. Newman Professor de Ciências Físicas e co-presidente da Força-Tarefa de Ciência em Nanoescala e Engenharia de Microssistemas (NEXT Nano), parte da iniciativa Radical Collaboration do reitor.

“O encapsulamento com nitreto de boro hexagonal e grafite torna o sistema eletrônico ultralimpo, "Nowack disse." Isso nos permite trabalhar com densidades de elétrons ainda mais baixas do que poderíamos antes, e isso é favorável para aumentar o sinal de efeito Hall em que estamos interessados. "

Os pesquisadores foram capazes de criar um sensor Hall em escala de mícron que funciona tão bem quanto os melhores sensores Hall relatados em temperatura ambiente, superando qualquer outro sensor Hall em temperaturas tão baixas quanto 4,2 kelvins (ou menos 452,11 graus Fahrenheit).

Os sensores de grafeno são tão precisos que podem detectar pequenas flutuações em um campo magnético contra um campo de fundo que é maior em seis ordens de magnitude (ou um milhão de vezes seu tamanho). Detectar tais nuances é um desafio até mesmo para sensores de alta qualidade, porque em um campo magnético alto, a resposta da tensão torna-se não linear e, portanto, mais difícil de analisar.

Nowack planeja incorporar o sensor Hall de grafeno em um microscópio de sonda de varredura para obter imagens de materiais quânticos e explorar fenômenos físicos, por exemplo, como os campos magnéticos destroem a supercondutividade não convencional e as formas como a corrente flui em classes especiais de materiais, como metais topológicos.

"Sensores de campo magnético e sensores Hall são partes importantes de muitas aplicações do mundo real, "Nowack disse." Este trabalho coloca o grafeno ultraclean realmente no mapa por ser um material superior para construir sondas Hall. Não seria muito prático para algumas aplicações porque é difícil fazer esses dispositivos. Mas existem caminhos diferentes para o crescimento de materiais e montagem automatizada do sanduíche que as pessoas estão explorando. Depois de ter o sanduíche de grafeno, você pode colocá-lo em qualquer lugar e integrá-lo à tecnologia existente. "