荷蘭研究團隊研發垂直量子傳感器 可在極強磁場下運作

荷蘭特溫特大學的研究人員研製出一種垂直量子傳感器，能夠測量量子材料中的納米尺度圖案，並且可以在 1 Tesla 的磁場中運作，該磁場強度是地球磁場的 20,000 倍。隨著我們對量子技術及量子材料性質的理解不斷加深，新的應用也迅速發展。為了進一步完善這些應用並將其帶入現實世界，科學家需要深入瞭解這些材料中的電流和磁場運作方式。由於量子技術在納米尺度下運行，科學家也需要構建能在這些尺度上運作的傳感器。

超導量子介面裝置（Superconducting Quantum Interface Device，簡稱 SQUID）是一種超靈敏的磁力計，能夠測量極微弱的磁場。然而，磁場隨距離衰減，因此傳感器必須保持非常接近材料才能進行測量。位於量子晶片平面上的傳感器無法捕捉幾微米外的磁場細節。因此，由應用物理學及納米技術教授漢斯·希根坎普（Hans Hilgenkamp）領導的研究團隊，將傳感器放置在金字塔形的支架上，以便將其儘量靠近量子晶片，以觀察量子材料的運作情況。

金字塔形狀的建造技術

這個傳感器是如何建造的呢？研究團隊並不是直接構建金字塔，而是從一片矽片中挖空金字塔形狀的部分。為此，他們使用液體將形狀像金字塔的凹槽刻蝕出來，然後在其上放置一薄層玻璃狀材料。當這層薄膜移除後，材料僅保留在邊緣。這種技術稱為角落光刻（corner lithography），留下的僅是一框極薄的線材沿著金字塔邊緣延伸。當周圍的矽被去除後，金字塔便豎立在一根細臂的末端。

研究人員隨後在這些線材上加了一層超導金屬鈮，然後使用帶電粒子束將上方的兩個收縮部分分割成一個環，以完成這個傳感器。

金字塔傳感器的優勢

傳統上，晶片是在平面上製造的，雖然堆疊技術越來越普遍，但只能逐層實現。這個量子傳感器的建造顯示出可以製作內部具備運作電子元件的三維結構。這種傳感器的優勢在於，量子材料研究通常在強磁場下進行。然而，強磁場會破壞超導傳感器的超導性，讓它們在真正需要時變得相當無用。金字塔傳感器在 1 Tesla 的強度下可靠運作，這是地球磁場的 20,000 倍。另一個優勢是該傳感器框架有四根線材，但只需兩根進行磁場測量。

研究人員使用另外兩根線尖在掃描過程中操控傳感器並調整其靈敏度。

目前，建造 SQUID 傳感器的大部分工作仍然是手工進行。這項研究顯示，像計算機晶片一樣，從矽晶圓大規模製造這些傳感器也是可行的。研究人員指出，數百個這些傳感器可以在一次運行中製造，且近 90% 的晶片均可使用。研究結果發表在《物理評論應用》（Physical Review Applied）期刊上。

量子傳感器的創新與應用潛力

這項研究展示了新型量子傳感器的潛力，特別是在強磁場環境下的可靠性。傳統超導傳感器在強磁場中會失去超導性，而金字塔傳感器的設計克服了這一挑戰，使得量子材料的研究能夠在更為真實的條件下進行。此外，利用角落光刻技術，研究人員能夠從矽晶圓大規模製造這些傳感器，這不僅提高了生產效率，也為未來量子技術的商業應用鋪平了道路。