Potenzial für Sicherheitstechnik durch Nano-SQUID-on-Tip-Sensoren

Ein Team des Weizmann Institute of Science in Rechovot hat mithilfe eines neuartigen supraleitenden Quantensensors bislang unbekannte Magnetisierungstexturen in rhomboedrischem Graphen sichtbar gemacht. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Physics, zeigen, wie sich Elektronen in mehrschichtigem Graphen zu komplexen, richtungsabhängigen Magnetmustern anordnen. Zum Einsatz kam dabei ein nanoskaliges supraleitendes Quanteninterferenzgerät – ein sogenannter Nano-SQUID-on-Tip-Sensor –, das auf der Spitze einer extrem feinen Pipette montiert ist. Dieses Gerät kann Magnetfeldstärken im Bereich von wenigen Nanotesla erfassen und bietet Forschern damit ein einzigartiges Werkzeug zur Analyse lokaler magnetischer Phänomene in 2D-Materialien.

Die Wissenschaftler untersuchten, wie sich vier Isospin-Varianten – also Kombinationen aus Spin- und Tal-Zuständen – in rhomboedrischem mehrschichtigem Graphen bei tiefen Temperaturen ohne externes Magnetfeld anordnen. Dabei zeigten sich zwei markante Magnetphasen: eine spinpolarisierte Halbmetallphase und eine spin-tal-polarisierte Viertelmetallphase. Durch die präzise Kartierung dieser Strukturen konnten die Forscher erstmals Rückschlüsse auf die Stärke der Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, insbesondere die sogenannte Hundsche Austauschkopplung, ziehen – eine Größe, die bislang experimentell kaum zugänglich war.

Diese grundlegende Arbeit eröffnet nicht nur neue Einblicke in die Quantenphysik von Graphen, sondern weist auch auf vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in der Sicherheitstechnik hin. Die Nano-SQUID-on-Tip-Technologie erlaubt die Erfassung extrem schwacher magnetischer Signale mit nanometergenauer Ortsauflösung – ein Potenzial, das weit über die Materialforschung hinausreicht.

In der Sicherheits- und Überwachungstechnik könnten solche Sensoren künftig eingesetzt werden, um magnetische Signaturen und Manipulationen mit bislang unerreichter Präzision zu erkennen. Beispielsweise ließen sich fälschungssichere magnetische Codierungen in Dokumenten oder Bauteilen auslesen, verdeckte elektronische Manipulationen detektieren oder forensische Analysen auf mikroskopischer Ebene durchführen. Auch im Bereich der nicht-invasiven Materialprüfung oder in Miniatursensoren für Drohnen und Robotik könnte diese Technologie neue Maßstäbe setzen.

Die Kombination aus 2D-Materialien wie Graphen und ultrasensitiver Quantensensorik schafft damit eine neue Klasse von Detektionssystemen, die sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der praktischen Sicherheitstechnik revolutionäres Potenzial besitzen. Nano-SQUID-on-Tip-Sensoren könnten künftig dort eingesetzt werden, wo herkömmliche Magnetfeldsensoren an ihre Grenzen stoßen – etwa bei der Erkennung feinster magnetischer Veränderungen, die auf Fälschungen, Sabotage oder verborgene elektronische Strukturen hinweisen.