Van kompas tot SQUID
De naald en het vlotje
Iedereen die zich als kind ooit heeft beziggehouden met wetenschap kent het trucje met de naald op het vlotje. Je magnetiseert een naald door ze tegen een permanente magneet te wrijven, legt ze op een geïmproviseerd vlotje en bij wonder zal de naald zich uitlijnen volgens de magnetische polen van de aarde. Op deze manier kan je het onzichtbare magnetisch veld veroorzaakt door de aarde toch waarnemen. Sinds de uitvinding van het kompas in de 1ste eeuw v.Chr. is de techniek om een magnetisch veld te observeren sterk verbeterd. Van navigatie hulpmiddel bij grote overzeese reizen tot uitermate gevoelige detector van onze hersenactiviteit, de magnetische veld sensor heeft in onze geschiedenis altijd een grote rol gespeeld. Net zoals de ontdekkingsreizigers in de overzeese reizen verkent deze thesis onbekend terrein. Voor het eerst wordt een unieke fabricatiemethode, genaamd ‘gecontroleerde electromigratie’, gebruikt in combinatie met een type sensor die in staat is magnetische velden waar te nemen 10 miljard keer kleiner dan het magnetisch veld van de aarde.
SQUID
Deze uiterst gevoelige sensoren worden bijvoorbeeld gebruikt in magnetoencephalography (MEG), een techniek waarmee de hersenactiviteit wordt gemeten. Kleine elektrische stroompjes in onze hersenen genereren magnetische velden die via deze techniek in kaart kunnen gebracht worden. Zo kan men de cognitieve processen beter begrijpen. De sensor die met zo’n nauwkeurigheid magnetische velden kan meten wordt een ‘superconducting quantum interference device’ genoemd. Wetenschappers onder elkaar noemen het ook wel kortweg een ‘SQUID’. Bij een SQUID sensor worden het totaal aantal supergeleidende elektronen die stromen tussen twee reservoirs verbonden doormidden van twee, zeer kleine, evenwijdige paden gemeten. Omdat het werkingsprincipe gebaseerd is op zuiver kwantummechanische principes, die ons klassiek denkend brein ver overstijgen, is een verduidelijkende analogie zeker op zijn plaats.
Stel je een aula voor waar studenten (de supergeleidende elektronen) staan aan te schuiven om binnen te mogen. Slechts twee deuren (de vernauwingen in de hieronder weergegeven afbeelding) geven toegang tot de aula. Elke deur wordt bewaakt door een portier. De portiers bepalen Of iemand de aula mag binnenkomen of moet verlaten. Een schematische voorstelling van deze analogie is weergegeven op een foto van de SQUID in de afbeelding hieronder. Elk van de portiers heeft een walkie talkie, waarmee ze met elkaar in contact staan. Enkel onder de juiste werkomstandigheden (goede hospitalisatieverzekering, een competitief loon, enz.) voeren de portiers hun job uit.
In dit geval zijn de juiste werkomstandigheden een zeer lage temperatuur, slechts één graad boven het absolute nulpunt (-273.15 °C). Enkel dan zijn de portiers aanwezig om de stroom van de studenten te regelen.
Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd in de opening tussen de twee deuren, veranderen de regels die de portiers hanteren. In afwezigheid van een magnetisch veld laten beide portiers steeds evenveel mensen toe tot de aula. Het aantal toegelaten studenten zal in dit geval enkel bepaald worden door de grootte van de toegangsdeuren. Echter voor een specifieke waarde van het magneetveld gaan de portiers ervan uit dat de aula vol is en kan iemand enkel de aula betreden indien iemand anders de aula verlaat. Hierdoor zal het totale aantal studenten in de aula niet veranderen. Door het netto aantal studenten te tellen die de aula binnenkomen kan men de regels achterhalen die de portiers toepassen. Via deze regels kan men de grootte van het magnetisch veld bepalen. Net omdat de portiers hun regels aanpassen bij slechts een kleine verandering van het magnetisch veld, kan men zeer kleine veranderingen detecteren in het magnetisch veld door nauwkeurig het aantal studenten te tellen.
Electromigratie
De grootte van deze SQUID verhoudt zich tot een appel als een appel tot de aarde. Om dit soort kleine toestellen te bouwen zijn geavanceerde nieuwe technieken nodig. Hiervoor wordt electromigratie ingezet. Deze speciale fabricatiemethode maakt deze thesis uniek. Nooit eerder is gecontroleerde electromigratie gebruikt in combinatie met deze extreem gevoelige sensor. Via deze methode kan men de grootte van de deuren zeer klein maken, tot slechts één atoom. Door een flinke elektrische stroom te jagen door deze deuren, forceer je de atomen uit de vernauwingen in de richting van de stroming. Hierdoor breek je deze doorgang af en maak je de hem effectief kleiner. Aangezien de deuren belangrijke elementen zijn in de werking van de SQUID kan men via deze nieuwe methode de eigenschappen van de sensor drastisch veranderen.
De figuur hierboven laat zien hoe de deuren worden verkleind door middel van gecontroleerde electromigratie. De zwarte vlekjes gevormd in de deuren laten zien waar er materiaal wordt verwijderd. In dit geval is alleen de onderste deur drastisch vernauwd.
Nanodeeltjes
Net omdat deze sensor zo microscopisch klein is, kan men hiermee de magnetische eigenschappen bepalen van de kleinste deeltjes (ook wel nanodeeltjes genoemd). Om deze eigenschappen accuraat te observeren moet de opening van de SQUID nog kleiner zijn. Aangezien de deuren de kleinste onderdelen zijn in dit toestel, is het een grote uitdaging om deze nog kleiner te maken. Met de hierboven beschreven methode is dit echter mogelijk. Electromigratie biedt zo de mogelijkheid om de kleinste SQUID op de planeet te bouwen.
