Ett team av Brown University fysiker har utvecklat en ny typ av kompakt, ultrakänslig magnetometer. Den nya enheten kan vara användbar i en mängd olika tillämpningar som involverar svaga magnetfält, säger forskarna.

"Nästan allt runt omkring oss genererar ett magnetfält - från våra elektroniska enheter till våra bankande hjärtan - och vi kan använda dessa fält för att få information om alla dessa system, sa Gang Xiao, ordförande för Brown Department of Physics och senior författare till en artikel som beskriver den nya enheten. "Vi har upptäckt en klass av sensorer som är ultrakänsliga, men är också små, billig att göra och använder inte mycket ström. Vi tror att det kan finnas många potentiella tillämpningar för dessa nya sensorer."

Den nya enheten beskrivs i en tidning publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik . Brown doktorand Yiou Zhang och postdoktorn Kang Wang var huvudförfattarna till forskningen.

Ett traditionellt sätt att känna av magnetfält är genom det som kallas Hall-effekten. När ett strömförande material kommer i kontakt med ett magnetfält, elektronerna i den strömmen avböjs i en riktning som är vinkelrät mot deras flöde. Det skapar en liten vinkelrät spänning, som kan användas av Hall-sensorer för att detektera närvaron av magnetiska fält.

Den nya enheten använder sig av en kusin till Hall-effekten - känd som den anomala Hall-effekten (AHE) - som uppstår i ferromagnetiska material. Medan Hall-effekten uppstår på grund av laddningen av elektroner, AHE uppstår från elektronspin, det lilla magnetiska momentet för varje elektron. Effekten gör att elektroner med olika spinn sprids i olika riktningar, vilket ger upphov till en liten men detekterbar spänning.

Den nya enheten använder en ultratunn ferromagnetisk film gjord av kobolt, järn- och boratomer. Elektronernas spinn föredrar att vara inriktade i filmens plan, en egenskap som kallas in-plane anisotropy. Efter att filmen har behandlats i en högtemperaturugn och under ett starkt magnetfält, elektronernas spinn utvecklar en tendens att vara orienterade vinkelrätt mot filmen med vad som kallas vinkelrät anisotropi. När dessa två anisotropier har samma styrka, elektronspinn kan lätt omorientera sig om materialet kommer i kontakt med ett externt magnetfält. Den omorienteringen av elektronspinn kan detekteras genom AHE-spänning.

Det krävs inte ett starkt magnetfält för att vända snurrarna i filmen, vilket gör enheten ganska känslig. Faktiskt, den är upp till 20 gånger känsligare än traditionella Hall-effektsensorer, säger forskarna.

Nyckeln till att enheten fungerar är tjockleken på kobolt-järn-bor-filmen. En film som är för tjock kräver starkare magnetfält för att omorientera elektronspin, vilket minskar känsligheten. Om filmen är för tunn, elektronsnurr kan omorientera på egen hand, vilket skulle göra att sensorn misslyckas. Forskarna fann att den söta punkten för tjocklek var 0,9 nanometer, en tjocklek av cirka fyra eller fem atomer.

Forskarna tror att enheten kan ha utbredda tillämpningar. Ett exempel som kan vara till hjälp för läkare är magnetisk immunanalys, en teknik som använder magnetism för att leta efter patogener i vätskeprover.

"Eftersom enheten är väldigt liten, vi kan sätta tusentals eller till och med miljontals sensorer på ett chip, ", sade Zhang. "Det chipet kunde testa för många olika saker samtidigt i ett enda prov. Det skulle göra testningen enklare och billigare."

En annan ansökan kan vara en del av ett pågående projekt i Xiaos labb som stöds av National Science Foundation. Xiao och hans kollegor utvecklar en magnetkamera som kan göra högupplösta bilder av magnetfält som produceras av kvantmaterial. En sådan detaljerad magnetisk profil skulle hjälpa forskare att bättre förstå egenskaperna hos dessa material.

"Precis som en vanlig kamera, vi vill att vår magnetkamera ska ha så många pixlar som möjligt, " sa Xiao. "Varje magnetisk pixel i vår kamera är en individuell magnetisk sensor. Sensorerna måste vara små och de kan inte förbruka för mycket ström, så den här nya sensorn kan vara användbar i vår kamera."