Forschende aus dem SNI-Netzwerk haben neuartige, extrem kleine und zugleich robuste Magnetfeldsonden entwickelt, die hochauflösende Bilder von nanoskaligen magnetischen Strukturen ermöglichen. Die Sensoren basieren auf sogenannten Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) – supraleitende Bauelemente, die zu den empfindlichsten Magnetometern zählen und selbst sehr schwache magnetische Felder präzise erfassen können.

Die hochempfindliche Abbildung von Magnetfeldern zeigt, wie Ströme, Spins und magnetische Strukturen im Inneren von Materialien tatsächlich funktionieren. Die Daten liefern Grundlagen für die Entwicklung moderner Technologien wie Supraleitung, Quantencomputing und neuartige Datenspeicher.

Zu den empfindlichsten Magnetfeldsensoren gehören sogenannte Superconducting Quantum Interference Devices – kurz SQUIDs. Sie basieren auf Supraleitung und können selbst extrem schwache magnetische Signale messen – weit besser als herkömmliche Methoden. 

SQUIDs an der Spitze von Federbalken
Forschende von den Universitäten Basel und Tübingen haben nun neuartige SQUID-Sonden mit bisher unerreichter Auflösung entwickelt, wie sie in der Fachzeitschrift «Physical Review Applied» berichten. Mithilfe einer Kombination aus optischer Lithografie und präziser fokussierter Ionenstrahl-Bearbeitung fabrizierten sie SQUIDs aus dem Material Niob mit inneren Strukturen von rund 10 Nanometern direkt an der Spitze von Silizium-Federbalken.

«Der Federbalken dient als Trägerstruktur, die es erlaubt, die SQUID-Sonde sehr nah an die Oberfläche zu bringen und das Magnetfeld lokal abzutasten», erklärt Argovia-Professor Dr. Martino Poggio vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel. «Bei tiefen Temperaturen konnten wir damit die Magnetfeldabbildung mit einer Auflösung von unter 100 Nanometern erreichen.»

Durch zusätzliche Nanostrukturierung mit Neon- oder Helium-Ionen konnte das Team weiterte Funktionen integrieren – beispielsweise eine Modulationsleitung zur gezielten Steuerung des magnetischen Flusses oder ein dritter Josephson-Kontakt zur Erweiterung des Magnetfeldbereichs, in dem die Sonde empfindlich ist. Diese Kombination aus hoher Kontrolle, Robustheit und feiner räumlicher Auflösung erweitert das Einsatzspektrum der SQUID-Abtastmikroskopie erheblich – von magnetischen Materialien über supraleitende Systeme bis hin zu Proben, die im Quantencomputing eingesetzt werden.

Untersuchung komplexer Systeme möglich
Als Machbarkeitsnachweis demonstrierten die Forschenden die Leistungsfähigkeit der neuen Sonden, indem sie magnetische Skyrmionen auf der Oberfläche von Cu₂OSeO₃ mit einer Auflösung von nur 71 Nanometern abbildeten und sogar eine helikale magnetische Phase mit einer Periodizität von nur 65 Nanometern klar auflösten.

Die neu entwickelten Nanosonden eröffnen damit spannende Perspektiven für die Untersuchung komplexer magnetischer und quantenphysikalischer Phänomene und markieren einen bedeutenden Fortschritt in der hochauflösenden Magnetfeldmikroskopie.

Die Arbeit basiert auf einer Zusammenarbeit von Forschenden des Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel, des Physikalisches Instituts an der Universität Tübingen, des Departement Quantum Electronics der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Braunschweig), IBM Research Europe (Zürich), und des Institute of Physics der  École Polytechnique Fédérale de Lausanne. 

Weitere Informationen:

Originalpublikation:

Advanced SQUID-on-lever scanning probe for high-sensitivity magnetic microscopy with sub-100-nm spatial resolution
Timur Weber, Daniel Jetter, Jan Ullmann, Simon A. Koch, Simon F. Pfander, Katharina Kress, Andriani Vervelaki , Boris Gross, Oliver Kieler, Ute Drechsler, Priya R. Baral, Arnaud Magrez, Reinhold Kleiner, Armin W. Knoll, Martino Poggio, and Dieter Koelle 
PHYSICAL REVIEW APPLIED 24, 054041 (2025)
DOI: 10.1103/6s24-vz3k

Forschungsgruppe Prof. Dr. Martino Poggio: 
Poggio Lab