图片来源：特温特大学

当量子材料在越来越小的尺度上展现奇特性质，测量工具也必须跟上。荷兰特温特大学的研究团队做了一件反直觉的事：把超导量子传感器“竖”起来，放到一根几微米高的金字塔顶端。

平面芯片的“最后一微米”困境

量子材料之所以引人注目，是因为它们能做到普通材料做不到的事——电流无损耗地通过，或者只在边缘导电而内部绝缘。未来量子计算机和量子传感器都将依赖这类材料。但要改进它们，研究者必须精确知道电流和磁场在纳米尺度上如何分布。

最灵敏的磁场探测器是SQUID（超导量子干涉器件），一个 superconducting 环，能记录最微小的磁场变化。问题在于距离。磁场随距离迅速衰减，传感器必须尽可能贴近被测材料。但如果SQUID平躺在芯片平面内，芯片本身就会把它挡在几微米之外——而恰恰在这个距离上，细节已经丢失了。

特温特大学的研究团队想出了一个直接的解法。“这就是我们把传感器放在金字塔上的原因，”教授Hans Hilgenkamp说，“在金字塔顶端，传感器可以直接贴近我们想观察的材料，中间没有任何东西遮挡。这样我们就能在量子材料发挥功能的尺度上成像磁性。”

挖出来的三维结构

这座金字塔不是“建”出来的，而是“挖”出来的。研究团队从一块硅片入手，用液体蚀刻出倒金字塔形的凹坑，然后在上面铺一层极薄的玻璃状材料。这层薄膜在凹坑的锐利边缘处会略微变厚；再把薄膜去掉，只有边缘处残留的材料留下来，形成一圈沿着金字塔棱线精确分布的极细导线框架。这项技术被称为“角光刻法”，由特温特大学的Mesoscale Chemical Systems研究组开发。

去掉周围硅材料后，金字塔就立在一根细而可弯曲的悬臂末端了。在显微镜下，这根悬臂像唱针循着唱片沟槽一样扫描表面。最后，在导线上镀一层铌——一种在极低温下超导的金属——再用带电粒子束在金字塔顶端切割出两个缩颈，一个SQUID环就完成了。

“我们来自超导领域，同事们来自三维纳米制造领域，”论文第一作者、博士生Thijs Roskamp说，“两种技术本身都已经成熟。把它们结合起来，就能得到具有无与伦比可能性的三维器件。”

一特斯拉的强磁场下依然工作

这项工作的另一个关键优势是抗磁场能力。量子材料研究经常需要在强磁场中进行，但强磁场会破坏超导性，让传统SQUID传感器在最需要的时候失效。金字塔传感器在1特斯拉的磁场下仍能可靠工作——这个强度是地球磁场的两万倍。

传感器框架有四根导线，但磁场测量只需要两根。研究者利用另外两根尖端来操控传感器，并在扫描过程中调节其灵敏度。

更重要的是，这项研究证明了三维结构中可以嵌入工作的电子器件。传统芯片只能在平面上逐层堆叠，而金字塔传感器展示了另一种可能——从硅晶圆上批量制造这类传感器，就像制造计算机芯片一样。

量子材料能做到普通材料做不到的事情。它们带电且无损耗，或者仅沿外缘导通，内部绝缘。未来的量子计算机和量子传感器将运行在类似的材料上。为了改进它们，研究人员需要精确观察纳米尺度上电流和磁场的分布位置。