Svenskar bakom enklare kalibrering av resistans

Forskare på Chalmers och Linköpings universitet har tillsammans med brittiska kollegor utvecklat en bärbar kalibreringsutrustning som gör det enklare att noggrant mäta den kvantmekaniska Halleffekten. Genom förbättrad och enklare processteknik i kombination med grafen på kiselkarbid kan mätningen göras vid högre temperatur och lägre magnetfält än tidigare.

Den kvantmekaniska versionen av Halleffekten – the quantum Hall effect (QHE) – är viktig att mäta för att bestämma SI-enheten för resistens, ohm.

Hittills har det krävts stora supraledande magneter som alstrar magnetfält runt 10 Tesla och extremt låga temperaturer, under 1K, för att mäta QHE. Det handlar om mycket dyr utrustning, så enbart ett fåtal labb världen runt har kunnat göra denna typ av mätning.

Nu har svenska och brittiska forskare utvecklat en teknik som gör det möjligt att mäta tillräckligt noggrant vid magnetfält under 5 Tesla och temperaturer strax under 4K.

Den avgörande skillnaden är att man tidigare använt en komplex processteknik och traditionella halvledarmaterial, medan forskarna nu utvecklat en enklare och bättre teknik. En annan fördel ges av grafen på kiselkarbid.

– Grafen på kiselkarbid ger större noggrannhet eftersom materialet har en hög kvalitet. Därför kan man tänja lite på de yttre förhållanden som annars behövs för temperatur och magnetiska fält för denna typ av kalibrering, och på så sätt få en portabel utrustning, säger Mikael Syväjärvi, som är verksam i forskargruppen vid Linköpings universitet och aktiv inom det strategiska innovationsprogrammet Grafen, till etn.se.

För att komma ner i temperatur för att få den kvantmekaniska Halleffekten använder forskarna en kryokylare konstruerad kring en komponent tillverkad i grafen på kiselkarbid. Själva kylningen fungerar på ungefär på samma sätt som ett vanligt kylskåp som använder ett kylmedel.

I den nya tekniken komprimeras mycket ren heliumgas till ett högt tryck. Kylan skapas när gasen sedan expanderar till ett lägre tryck. För att nå ner till temperaturer runt 3,5 K krävs enbart tillgång till ett elnät, hävdar forskarna.

Den nya tekniken innebär att betydligt fler labb i framtiden kan mäta QHE, även universitet kommer att få råd med sina egen utrustning på längre sikt.

– Det här är ett stort steg mot en teknik som kan leda till en marknad. Marknaden för den här typen av kalibrering är smal, men kunnandet kan leda till att annan mätteknik avancerar så att elektronik baserad på grafen kommer framåt fortare, säger Mikael Syväjärvi.

Det strategiska innovationsprogrammet Grafen verkar för att svenska företag ska börja använda grafen för produkter.