Tutkijat ovat kehittäneet uuden anturin pienten magneettikenttien mittaamiseen
05.03.2010
Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratorion ja italialaisen Scuola Normale Superioren tutkimuksen tulokset julkaistiin Nature Physics -lehden verkkojulkaisussa 28.2.
Tutkijoiden kehittämän uudentyyppisen erittäin herkän magneettikenttäanturin etuja ovat pienet tehohäviöt, yksinkertainen mittauspa ja muunneltavuus erilaisille mittausalueille.
Uusi mittausanturi on läheistä sukua perinteisille, muun muassa aivokuvantamisessa käytettäville SQUID-magnetometreille (Superconducting Quantum Interference Device).
Anturin ytimen muodostaa suprajohtava silmukka, josta pieni osa on korvattu normaalijohtavalla metallilla. Niin sanotun läheisilmiön vaikutuksesta normaalimetalli muuttuu kontaktissa suprajohteeseen heikosti suprajohtavaksi.
– Alkuperäisenä ideana oli tutkia suprajohtavan läheisilmiön vaikutusta normaalimetallin elektronien ja hilavärähtelyjen väliseen lämpövirtaan. Rakenteen huomattiin kuitenkin toimivan myös herkkänä ja suoraviivaisesti muunneltavana magneettikenttäanturina, professori Jukka Pekola kertoo.
Nimen SQUIPT (Superconducting Quantum Interference Proximity Transistor) saaneessa rakenteessa yhdistyvät tunnelointiliitosten hyvin tunnetut sähkönkuljetusominaisuudet sekä suprajohtavan läheisilmiön mahdollistama suuri säädeltävyys. Ytimen silmukassa voidaan käyttää erimittaisia metallilankoja ja materiaaleja, mikä laajentaa laitteen toiminta-aluetta.
Koska mittaukset tehdään hyvin pienellä tasavirralla, ilmaisimen tehonkulutus on pieni. Uusi anturirakenne sopii hyvin mataliin lämpötiloihin, jolloin kohinataso on pienempi ja laitteen suorituskyky ja herkkyys hyvä.
Teoreettinen analyysi ja laitteella tehdyt ensimmäiset kokeet vaikuttavat lupaavilta.
– Anturin hienous on sen yksinkertaisuudessa. Laitteeseen syötetään tasavirta, silmukka asetetaan ulkoiseen magneettikenttään ja seurataan jännitettä, joka vaihtelee jaksoittain ulkoisen magneettikentän funktiona. Pystymme suoraviivaisella jännitemittauksella mittaamaan hyvinkin pieniä magneettikenttiä, Pekola selventää.
Tähänastiset kokeet on tehty pääosin noin asteen kymmenesosan päässä absoluuttisesta nollapisteestä, mutta laite toimii myös korkeammassa, käytännön sovellusten kannalta tärkeässä nestemäisen heliumin lämpötilassa (noin 4 kelviniä eli -269 °C), kun suprajohtava materiaali valitaan sopivasti.
Seuraavaksi ryhmällä on edessään laitteen parametrien optimointi, jossa selvitetään, miten suureen mittausherkkyyteen laitteella päästään, ja miten pieniä kenttiä laitteella voidaan mitata.
Pekola arvioi tässä vaiheessa varovaisesti anturin mahdollisia käytännön sovelluksia jatkossa.
– Matka prototyypistä oikeaan tuotteeseen on pitkä ja voi viedä useita vuosia. VTT:n kanssa olemme kuitenkin jo alustavasti keskustelleet anturin jatkokehityksestä ja tuotteistamisesta. Parhaassa tapauksessa tämä voisi korvata perinteisen SQUID-magnetometrin joissakin erikoissovellutuksissa, sanoo Pekola.
Anturirakenne on valmistettu Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun ja VTT:n yhteisessä mikro- ja nanotekniikan keskus Micronovan tiloissa.
Verkkojulkaisu:
F. Giazotto, J. T. Peltonen, M. Meschke, ja J. P. Pekola,
SQUIPT - Superconducting Quantum Interference Proximity Transistor
Lisätietoja:
Professori Jukka Pekola
Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu,
Kylmälaboratorion PICO-ryhmä, Micronova
puh. 09 470 24913 jukka.pekola [at] tkk [dot] fi
Erikoistutkija Matthias Meschke
matthias.meschke [at] ltl [dot] tkk [dot] fi
Tutkija Joonas Peltonen
joonas.peltonen [at] ltl [dot] tkk [dot] fi
