Supergeleidende quantumsensor de hoogte in

De tastarm steekt vrij uit over de rand van de chip. Vier parallelle supergeleidende sporen lopen over de arm naar de piramide aan het uiteinde, waar de sensor zit. Beeld gemaakt met een scanning-elektronenmicroscoop. (Afbelding TU)

Quantummaterialen doen dingen die gewone materialen niet doen. Ze geleiden stroom zonder enig verlies, of alleen langs hun buitenrand terwijl de binnenkant isoleert. Op zulke materialen moeten toekomstige quantumcomputers en quantumsensoren gaan draaien. Om ze te verbeteren moeten onderzoekers zien waar de stroompjes en de magnetische velden op nanoschaal precies lopen.

Daarvoor is er de SQUID, een supergeleidend ringetje dat de kleinste magnetische verandering opmerkt. Het probleem is de afstand. Magnetische velden vervagen razendsnel, dus de sensor moet vlakbij het materiaal kunnen komen. Ligt zo’n ringetje plat in het vlak van een chip, dan houdt de rest van die chip hem gauw op enkele micrometers afstand van het materiaal. Precies daar gaan de details verloren. Aan de Universiteit Twente wordt al jaren gewerkt aan scanning-SQUID-microscopie, waarmee magnetisme van een oppervlak in kaart wordt gebracht.

“Wij zetten de sensor daarom op een piramide”, zegt Hans Hilgenkamp. “Op de top van die piramide kan de sensor vlak bij het materiaal worden gebracht dat we willen bekijken, zonder dat er iets anders in de weg zit. Zo brengen we magnetisme in beeld op de schaal waarop quantummaterialen hun werk doen.” Dat opent de deur naar nieuwe materialen met bijzondere functionaliteiten. Binnen het Zwaartekrachtprogramma QuMat bouwt Twente de instrumenten waarmee ze met de andere partners quantummaterialen kunnen doormeten en verder ontwikkelen.

Twee Twentse specialismen op één punt
De piramide wordt niet opgebouwd, maar eerst uitgehold uit een plak silicium, hetzelfde materiaal waar computerchips van gemaakt worden. Daarin bijten de onderzoekers met een vloeistof kuiltjes weg in de vorm van een omgekeerde piramide. Over zo’n kuiltje leggen ze een flinterdun laagje glasachtig materiaal, dat in de scherpe randen vanzelf wat dikker wordt. Halen ze dat laagje daarna weer weg, dan blijft alleen in die randen iets achter.

Wat overblijft is een frame van uiterst dunne draadjes, precies langs de ribben van de piramide. Die techniek heet hoeklithografie en is ontwikkeld door, Edin Sarajilic, Erwin Berenschot en Niels Tas in de Twentse groep Mesoscale Chemical Systems, gespecialiseerd in driedimensionale structuren op nanoschaal.

Daarna kunnen ze het silicium eromheen weghalen en komt de piramide rechtop te staan, op het uiteinde van een dun buigzaam armpje. Zo’n armpje tast in een microscoop het oppervlak af. Vergelijkbaar met hoe de naald van een platenspeler een groef volgt. Over de draadjes komt een laagje niobium, een metaal dat op extreem lage temperaturen supergeleidend is. Een fijne bundel geladen deeltjes snijdt tot slot twee vernauwingen in het ringetje bovenin. Daarmee is de sensor af.

“Wij komen uit de supergeleiding, onze collega’s uit de 3D-nanofabricage”, zegt Thijs Roskamp, promovendus en eerste auteur. “Allebei die technieken werkten al goed. Als je ze combineert, krijg je driedimensionale apparaten met ongeëvenaarde mogelijkheden.” De chipindustrie werkte decennialang in het platte vlak. Inmiddels wordt er gestapeld, maar dat gebeurt nog altijd laag voor laag. Echte driedimensionale structuren met werkende elektronica erin zijn zeldzaam. Deze sensor laat zien dat het kan.

Blijft meten waar supergeleiding het normaal begeeft
Onderzoek aan quantummaterialen gebeurt vaak in sterke magneetvelden. Dat is lastig voor een supergeleidende sensor, want een sterk magneetveld is precies wat supergeleiding kapotmaakt. De gevoeligste sensoren haken daardoor af op het moment dat je ze het hardst nodig hebt. De Twentse sensor blijft gewoon doorwerken tot boven 1 tesla, ongeveer twintigduizend keer het magneetveld van de aarde. Tegelijkertijd meten de sensoren velden van een paar nanotesla, ongeveer tienduizend keer zwakker dan het aardmagnetisch veld.

Er is nog een voordeel. Het frame op de punt bestaat uit vier draadjes, en voor de meting zijn er maar twee nodig. De andere twee blijven over als extra aansluitingen. Daarmee kunnen de onderzoekers de sensor vanaf de punt zelf bijsturen en gevoeliger afstellen, terwijl hij scant. “Op onze sensor zitten vanaf het begin vier aansluitingen”, zegt Roskamp. “Twee gebruiken we om te meten, de andere twee blijven vrij. Daar kunnen we functies aan toevoegen zonder de sensor opnieuw te hoeven maken.”

Van handwerk naar hele wafer
Er zijn meer groepen die proberen dergelijke SQUID-on-tip-sensoren te maken, maar tot nu toe is dat allemaal handwerk. Hiervoor trekt een specialist eerst een glazen buisje tot een naaldje uit en dampt daar in een paar stappen een supergeleider op. Het resultaat werkt, maar het is één sensor per keer, met beperkte reproduceerbaarheid en weinig ruimte voor iets extra’s op de punt.

In het MESA+ NanoLab in Twente rolt de sensor uit dezelfde soort stappen waarmee de chipindustrie werkt. Alles gebeurt op een hele siliciumplak tegelijk, dus honderden piramides naast elkaar in één productiegang. Van alle punten op de wafer komt 80 tot 90 procent geschikt uit het proces. De grootte van het ringetje is bovendien instelbaar. Door het uitgeholde kuiltje aan te passen maakten de onderzoekers sensoren van enkele micrometers tot ongeveer 100 nanometer.

Bij het werk waren collega’s van Bruker betrokken, een fabrikant van scanningmicroscopen die in Enschede zit en meewerkt in het MESA+ NanoLab. Dat maakt de stap van proefopstelling naar een sensor die andere laboratoria gewoon kunnen bestellen aanzienlijk korter. “Onze rol in QuMat is het bouwen van gereedschap”, zegt Hilgenkamp. “Wij ontwikkelen de sensoren waarmee we samen met anderen in het consortium bijzondere quantummaterialen kunnen doormeten.”