2026年9月24日——芯片正变得越来越高，但它们仍然几乎总是逐层构建而成。特文特大学的研究人员构建了一种三维结构，其顶部有一个可工作的超导器件——一座几微米高的金字塔。在其尖端有一个直径几百纳米的超导环，能以物理学所能提供的最高灵敏度测量磁场。该工作发表于 Physical Review Applied。

量子材料能做到普通材料做不到的事情。它们可以无损耗地输送电流，或者只在外部边缘导电，而内部绝缘。未来的量子计算机和量子传感器将运行在这类材料上。为了改进它们，研究人员需要精确看到电流和磁场在纳米尺度上分布和流动的位置。

灵敏度足以做到这一点的传感器是SQUID，一种能记录最微小磁场变化的超导环。问题在于距离。磁场衰减得非常快，因此传感器必须能够贴近材料。如果这样的环平躺在芯片平面内，芯片的其余部分很快会使它与材料相隔数微米。而这正是细节丢失的地方。特文特大学多年来一直研究扫描SQUID显微术，绘制表面磁性。

“这就是我们把传感器放在金字塔上的原因，”Hans Hilgenkamp说。“在金字塔顶部，传感器可以被直接带到我们想观察的材料附近，中间没有任何东西阻挡。这让我们能够在量子材料发挥作用的尺度上对磁性成像。”这为具有非常规功能的新材料打开了大门。在“Gravitation”计划QuMat中，特文特大学正在建造仪器，以便该校及其合作伙伴能够测量并进一步开发量子材料。

特文特的两项专长集于一点

金字塔不是堆叠建造的。它首先从一片硅中被镂空出来，而硅正是制造计算机芯片的材料。研究人员使用液体蚀刻出倒金字塔形的凹坑。他们在每个凹坑上铺一层极薄的类玻璃材料薄膜，薄膜在尖锐边缘处会稍微更厚。当他们再次去除这层薄膜时，只有那些边缘处会留下材料。

留下的是一个由极细导线构成的框架，精确地沿着金字塔的棱边延伸。这种技术被称为角部光刻（corner lithography）。Erwin Berenschot和Niels Tas在特文特大学的Mesoscale Chemical Systems课题组开发了该技术，该课题组专门研究纳米尺度的三维结构。

随后可以去除周围的硅，使金字塔直立在一条细而柔性的臂的末端。在显微镜中，这条臂扫描表面，就像唱针沿着唱片纹路移动一样。一层铌覆盖在导线上，这种金属在极低温度下具有超导性。最后，一束精细的带电粒子在顶部的环上切出两个收缩结构。传感器就完成了。

“我们来自超导领域，我们的同事来自三维纳米加工领域，”博士生、第一作者Thijs Roskamp说。“两种技术各自都已经运行良好。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。”芯片行业几十年来一直在平面内发展。如今堆叠已很常见，但仍然是一层一层地堆叠。真正三维、内部含有可工作电子器件的结构很少见。这款传感器表明这是可以做到的。

在超导性通常会失效的地方仍能测量

量子材料研究常常在强磁场中进行。这对超导传感器来说很棘手，因为强磁场正是破坏超导性的因素。因此，最灵敏的传感器会在你最需要它们的时候失效。特文特大学的传感器在超过1特斯拉时仍能工作，大约是地球磁场的两万倍。

还有一个优势。尖端的框架由四条导线组成，而测量只需要其中两条。另外两条留作额外连接。它们让研究人员可以从尖端本身操控传感器，并在扫描时调节灵敏度。“我们的传感器从一开始就有四个连接，”Roskamp说。“我们用两个来测量，另外两个保持空闲。我们可以给它们增加功能，而不必从头重新制作传感器。”

从手工制作到整片晶圆

其他团队也在尝试制造这类针尖SQUID传感器，但迄今为止全靠手工。专家先把玻璃管拉制成细针，再分几步在其上蒸镀超导体。结果虽然可行，但一次只能做一个传感器，重现性有限，尖端也几乎没有空间添加额外结构。

在特文特大学的MESA+ NanoLab，这种传感器通过芯片行业所用的同类工艺步骤制造出来。所有操作一次性在整片硅晶圆上进行，因此一次生产就能得到数百个并排的金字塔。晶圆上80%到90%的尖端都可用。环的尺寸也可调。通过改变镂空凹坑，研究人员制造出了从几微米到约100纳米不等的传感器。

Bruker的同事参与了这项工作。Bruker是一家位于恩斯赫德的扫描显微镜制造商，在MESA+ NanoLab开展工作。这大大缩短了从实验装置到其他实验室可以直接订购的传感器之间的距离。“我们在QuMat中的角色是构建工具，”Hilgenkamp说。“我们开发传感器，使我们能够与联盟中的其他人一起测量非凡的量子材料。”