Forskere udvikler ultrafølsom enhed til påvisning af magnetfelter

Et team af Brown University fysikere har udviklet en ny type kompakt, ultra-følsomt magnetometer. Den nye enhed kan være nyttig i en række applikationer, der involverer svage magnetfelter, siger forskerne.

"Næsten alt omkring os genererer et magnetfelt - fra vores elektroniske enheder til vores bankende hjerter - og vi kan bruge disse felter til at få information om alle disse systemer, " sagde Gang Xiao, formand for Brown Department of Physics og seniorforfatter til et papir, der beskriver den nye enhed. "Vi har afdækket en klasse sensorer, der er ultrafølsomme, men er også små, billig at lave og bruger ikke meget strøm. Vi tror, ​​der kan være mange potentielle anvendelser for disse nye sensorer."

Den nye enhed er beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver . Brown kandidatstuderende Yiou Zhang og postdoc-forsker Kang Wang var hovedforfatterne af forskningen.

En traditionel måde at registrere magnetiske felter på er gennem det, der er kendt som Hall-effekten. Når et ledende materiale, der bærer strøm, kommer i kontakt med et magnetfelt, elektronerne i den strøm afbøjes i en retning vinkelret på deres strømning. Det skaber en lille vinkelret spænding, som kan bruges af Hall-sensorer til at detektere tilstedeværelsen af ​​magnetiske felter.

Den nye enhed gør brug af en fætter til Hall-effekten - kendt som den anomalous Hall-effekt (AHE) - som opstår i ferromagnetiske materialer. Mens Hall-effekten opstår på grund af ladningen af ​​elektroner, AHE opstår fra elektronspin, det lille magnetiske moment for hver elektron. Effekten får elektroner med forskellige spins til at spredes i forskellige retninger, hvilket giver anledning til en lille, men detekterbar spænding.

Den nye enhed bruger en ultratynd ferromagnetisk film lavet af kobolt, jern- og boratomer. Elektronernes spins foretrækker at blive justeret i filmens plan, en egenskab kaldet in-plane anisotropi. Efter at filmen er behandlet i en højtemperaturovn og under et stærkt magnetfelt, elektronernes spins udvikler en tendens til at være orienteret vinkelret på filmen med det, der er kendt som vinkelret anisotropi. Når disse to anisotropier har samme styrke, elektronspin kan nemt omorientere sig, hvis materialet kommer i kontakt med et eksternt magnetfelt. Denne reorientering af elektronspin kan detekteres gennem AHE-spænding.

Det kræver ikke et stærkt magnetfelt at vende spins i filmen, hvilket gør enheden ret følsom. Faktisk, den er op til 20 gange mere følsom end traditionelle Hall-effektsensorer, siger forskerne.

Nøglen til at få enheden til at fungere er tykkelsen af ​​kobolt-jern-bor-filmen. En film, der er for tyk, kræver stærkere magnetfelter for at omorientere elektronspin, hvilket nedsætter følsomheden. Hvis filmen er for tynd, elektronspin kunne reorientere sig selv, hvilket ville få sensoren til at svigte. Forskerne fandt ud af, at det søde sted for tykkelse var 0,9 nanometer, en tykkelse på omkring fire eller fem atomer.

Forskerne mener, at enheden kan have udbredte anvendelser. Et eksempel, der kunne være nyttigt for læger, er i magnetisk immunoassay, en teknik, der bruger magnetisme til at lede efter patogener i væskeprøver.

"Fordi enheden er meget lille, vi kan sætte tusinder eller endda millioner af sensorer på én chip, "Sagde Zhang." Den chip kunne teste for mange forskellige ting på én gang i en enkelt prøve. Det ville gøre test nemmere og billigere."

En anden ansøgning kunne være som en del af et igangværende projekt i Xiaos laboratorium støttet af National Science Foundation. Xiao og hans kolleger er ved at udvikle et magnetisk kamera, der kan lave high-definition billeder af magnetiske felter produceret af kvantematerialer. En sådan detaljeret magnetisk profil ville hjælpe forskere med bedre at forstå disse materialers egenskaber.

"Ligesom et almindeligt kamera, vi ønsker, at vores magnetiske kamera skal have så mange pixels som muligt, " sagde Xiao. "Hver magnetisk pixel i vores kamera er en individuel magnetisk sensor. Sensorerne skal være små, og de kan ikke forbruge for meget strøm, så denne nye sensor kan være nyttig i vores kamera."