Neuartige NanoSQUIDs zur Detektion kleiner Spin-Systeme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Sylke Bechstein; Dr. Oliver-Franz-Otto Kieler; Professor Dr. Dieter Kölle
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249226987

In diesem Forschungsprojekt sollen fortgeschrittene supraleitende Quanteninterferenzdetektoren mit Submikrometer-Abmessungen (NanoSQUIDs) entwickelt und untersucht werden. NanoSQUIDs sind in der Lage, das magnetische Dipolfeld kleinster magnetischer Systeme wie magnetischer Nanopartikel (MNP) oder molekularer Magnete mit magnetischer Momentempfindlichkeit in der Größenordnung eines Bohr-Magnetons in einer Bandbreite von 1 Hz direkt zu detektieren. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Entwicklung von ultrasensitiven nanoSQUIDs und geeigneten Messtechniken existieren für reale Anwendungen noch keine Lösungen. Um dies zu überwinden, wollen wir Sensoren und Gesamtsysteme für reale Anwendungen entwickeln, mit Fokus auf der NanoSQUID-Magnetometrie und -Suszeptometrie an MNP.Die Herstellung der Niob (Nb) NanoSQUIDs basiert auf einer ausgereiften Technologie zur Realisierung extrem kleiner Nb/HfTi/Nb Josephson-Kontakte mit hoher kritischer Stromdichte, anstelle der am häufigsten verwendeten auf geometrischen Einschnürungen basierenden Josephson-Kontakte. Dies bietet den Vorteil der Kombination der Realisierung von SQUIDs mit sehr kleiner Schleifeninduktivität und daher extrem niedrigem Flussrauschen mit einem Supraleiter-Multilagen-Ansatz für die Realisierung komplexer Bauelemente mit deutlich erhöhter Funktionalität für verschiedene Anwendungen.Im Rahmen des Projekts werden wir noch ungelöste Fragen zu den grundlegenden Eigenschaften unserer Josephson-Kontakte und NanoSQUIDs angehen, um ihre Eigenschaften weiter zu verbessern, einschließlich für den Betrieb in starken Magnetfeldern und über einen großen Temperaturbereich. Auf dieser Grundlage beabsichtigen wir eine weiterentwickelte dispersive Auslesetechnik zu implementieren, um Dissipation zu vermeiden und höchste Bandbreite und Empfindlichkeit zu erreichen. Wir werden neuartige komplexe NanoSQUID-Schaltungen entwickeln, wie beispielsweise Vektor-NanoSQUIDs, NanoSQUID-Suszeptometer und -Stromsensoren. Diese sind insbesondere für die Untersuchung von MNP als eine Hauptanwendung von NanoSQUIDs geeignet. Um eine zentrale Herausforderung für diese Art von Anwendung anzugehen, wollen wir eine praktikable und zuverlässige Technik für die Positionierung von MNP in unmittelbarer Nähe unserer nanoSQUIDs entwickeln. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, die Temperatur der MNP während der Messung zu variieren. Abschließend werden wir Proof-of-Principle-Messungen an MNPs durchführen, um den Erfolg und die Machbarkeit unserer Ansätze zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen