Al igual que con los actores y cantantes de ópera, cuando se miden los campos magnéticos ayuda a tener alcance.

Los investigadores de Cornell utilizaron un “sándwich” de grafeno ultrafino para crear un diminuto sensor de campo magnético que puede operar en un rango de temperatura mayor que los sensores anteriores, a la vez que detecta minúsculos cambios en los campos magnéticos que de otra manera podrían perderse dentro de un fondo magnético mayor.

El artículo del grupo, “Límites de detección del campo magnético para los sensores de grafeno ultrafino de la sala”, fue publicado recientemente en Nature Communications.

El equipo fue dirigido por Katja Nowack, profesora asistente de física en el Colegio de Artes y Ciencias y la autora principal del artículo.

El laboratorio de Nowack se especializa en el uso de sondas de escaneo para realizar imágenes magnéticas. Una de sus sondas es el dispositivo de interferencia cuántica superconductor, o SQUID, que funciona bien a bajas temperaturas y en pequeños campos magnéticos.

“Queríamos expandir el rango de parámetros que podemos explorar usando este otro tipo de sensor, que es el sensor de efecto Hall”, dijo el estudiante de doctorado Brian Schaefer, el autor principal del artículo. “Puede funcionar a cualquier temperatura, y hemos demostrado que también puede funcionar con campos magnéticos altos. Los sensores Hall se han usado antes en campos magnéticos altos, pero normalmente no son capaces de detectar pequeños cambios de campo magnético en la parte superior de ese campo magnético.”

El efecto Hall es un fenómeno bien conocido en la física de la materia condensada. Cuando una corriente fluye a través de una muestra, es doblada por un campo magnético, creando un voltaje a través de ambos lados de la muestra que es proporcional al campo magnético.

Los sensores de efecto Hall se utilizan en diversas tecnologías, desde teléfonos móviles hasta robótica y frenos antibloqueo. Los dispositivos están generalmente construidos con semiconductores convencionales como el silicio y el arseniuro de galio.

El grupo de Nowack decidió intentar un enfoque más novedoso.

La última década ha visto un auge en los usos de las láminas de grafeno – capas individuales de átomos de carbono, dispuestas en un entramado de panal. Pero los dispositivos de grafeno a menudo se quedan cortos con respecto a los fabricados con otros semiconductores cuando la hoja de grafeno se coloca directamente sobre un sustrato de silicio; la hoja de grafeno se “arruga” en la nanoescala, inhibiendo sus propiedades eléctricas.

El grupo de Nowack adoptó una técnica recientemente desarrollada para liberar todo el potencial del grafeno, colocándolo entre hojas de nitruro de boro hexagonal. El Nitruro de Boro hexagonal tiene la misma estructura cristalina que el grafeno, pero es un aislante eléctrico, que permite que la hoja de grafeno quede plana. Las capas de grafito en la estructura de emparedado actúan como puertas electrostáticas para ajustar el número de electrones que pueden conducir electricidad en el grafeno.

La técnica del sándwich fue iniciada por el co-autor Lei Wang, un antiguo investigador postdoctoral del Instituto Kavli de Cornell para la Ciencia de la Nanoescala. Wang también trabajó en el laboratorio del co-autor principal Paul McEuen, el Profesor de Ciencias Físicas John A. Newman y co-presidente del Grupo de Trabajo de Ciencia de Nanoescala e Ingeniería de Microsistemas (NEXT Nano), que forma parte de la iniciativa de Colaboración Radical del preboste.

“La encapsulación con nitruro de boro hexagonal y grafito hace que el sistema electrónico sea ultra-limpio”, dijo Nowack. “Eso nos permite trabajar con densidades de electrones aún más bajas de lo que podíamos antes, y eso es favorable para potenciar la señal de efecto Hall que nos interesa”.

Los investigadores pudieron crear un sensor Hall a escala micrónica que funciona tan bien como los mejores sensores Hall reportados a temperatura ambiente, mientras que supera a cualquier otro sensor Hall a temperaturas tan bajas como 4,2 kelvin (o menos 452,11 grados Fahrenheit).

Los sensores de grafeno son tan precisos que pueden detectar pequeñas fluctuaciones en un campo magnético contra un campo de fondo que es mayor en seis órdenes de magnitud (o un millón de veces su tamaño). Detectar tales matices es un desafío incluso para los sensores de alta calidad, porque en un campo magnético elevado, la respuesta de voltaje se vuelve no lineal y por lo tanto más difícil de analizar.

Nowack planea incorporar el sensor de grafeno Hall en un microscopio de sonda de escaneo para obtener imágenes de materiales cuánticos y explorar fenómenos físicos, como la forma en que los campos magnéticos destruyen la superconductividad no convencional y las formas en que la corriente fluye en clases especiales de materiales, como los metales topológicos.

“Los sensores de campo magnético y los sensores Hall son partes importantes de muchas aplicaciones del mundo real”, dijo Nowack. “Este trabajo pone al grafeno ultraclaro realmente en el mapa por ser un material superior para construir las sondas Hall. No sería realmente práctico para algunas aplicaciones porque es difícil hacer estos dispositivos. Pero hay diferentes caminos para el crecimiento de los materiales y el ensamblaje automatizado del sándwich que la gente está explorando. Una vez que tienes el sándwich de grafeno, puedes ponerlo en cualquier lugar e integrarlo con la tecnología existente”.