Een team van natuurkundigen van de Brown University heeft een nieuw type compact, ultragevoelige magnetometer. Het nieuwe apparaat kan nuttig zijn in een verscheidenheid aan toepassingen met zwakke magnetische velden, zeggen de onderzoekers.

"Bijna alles om ons heen genereert een magnetisch veld - van onze elektronische apparaten tot onze kloppende harten - en we kunnen die velden gebruiken om informatie over al deze systemen te verkrijgen, " zei Gang Xiao, voorzitter van de Brown Department of Physics en senior auteur van een paper waarin het nieuwe apparaat wordt beschreven. "We hebben een klasse sensoren ontdekt die ultragevoelig zijn, maar zijn ook klein, goedkoop te maken en verbruiken niet veel stroom. We denken dat er veel potentiële toepassingen kunnen zijn voor deze nieuwe sensoren."

Het nieuwe apparaat wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven . Brown-afgestudeerde student Yiou Zhang en postdoctoraal onderzoeker Kang Wang waren de hoofdauteurs van het onderzoek.

Een traditionele manier om magnetische velden waar te nemen is door middel van wat bekend staat als het Hall-effect. Wanneer een geleidend materiaal dat stroom voert in contact komt met een magnetisch veld, de elektronen in die stroom worden afgebogen in een richting loodrecht op hun stroom. Dat creëert een kleine loodrechte spanning, die door Hall-sensoren kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van magnetische velden te detecteren.

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een neef van het Hall-effect - bekend als het abnormale Hall-effect (AHE) - dat optreedt in ferromagnetische materialen. Terwijl het Hall-effect ontstaat door de lading van elektronen, de AHE ontstaat uit elektronenspin, het kleine magnetische moment van elk elektron. Het effect zorgt ervoor dat elektronen met verschillende spins zich in verschillende richtingen verspreiden, waardoor een kleine maar detecteerbare spanning ontstaat.

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een ultradunne ferromagnetische film gemaakt van kobalt, ijzer- en booratomen. De spins van de elektronen worden bij voorkeur uitgelijnd in het vlak van de film, een eigenschap genaamd in-plane anisotropie. Nadat de film in een oven op hoge temperatuur en onder een sterk magnetisch veld is behandeld, de spins van de elektronen ontwikkelen een neiging om loodrecht op de film te worden georiënteerd met wat bekend staat als loodrechte anisotropie. Als deze twee anisotropieën even sterk zijn, elektronenspins kunnen zich gemakkelijk heroriënteren als het materiaal in contact komt met een extern magnetisch veld. Die heroriëntatie van elektronenspins is detecteerbaar via AHE-spanning.

Er is geen sterk magnetisch veld nodig om de spins in de film om te draaien, wat het apparaat behoorlijk gevoelig maakt. In feite, het is tot 20 keer gevoeliger dan traditionele Hall-effectsensoren, zeggen de onderzoekers.

De sleutel om het apparaat te laten werken, is de dikte van de kobalt-ijzer-boorfilm. Een film die te dik is, heeft sterkere magnetische velden nodig om de elektronenspins te heroriënteren. wat de gevoeligheid vermindert. Als de film te dun is, elektronenspins kunnen zichzelf heroriënteren, waardoor de sensor zou falen. De onderzoekers ontdekten dat de sweet spot voor dikte 0,9 nanometer was, een dikte van ongeveer vier of vijf atomen.

De onderzoekers denken dat het apparaat wijdverbreide toepassingen kan hebben. Een voorbeeld dat nuttig kan zijn voor artsen is magnetische immunoassay, een techniek die magnetisme gebruikt om ziekteverwekkers in vloeistofmonsters te zoeken.

"Omdat het apparaat erg klein is, we kunnen duizenden of zelfs miljoenen sensoren op één chip zetten, "Zei Zhang. "Die chip kon in een enkel monster tegelijkertijd op veel verschillende dingen testen. Dat zou het testen makkelijker en goedkoper maken."

Een andere toepassing zou kunnen zijn als onderdeel van een lopend project in Xiao's lab, ondersteund door de National Science Foundation. Xiao en zijn collega's ontwikkelen een magnetische camera die high-definition beelden kan maken van magnetische velden die worden geproduceerd door kwantummaterialen. Zo'n gedetailleerd magnetisch profiel zou onderzoekers helpen de eigenschappen van deze materialen beter te begrijpen.

"Net als een gewone camera, we willen dat onze magnetische camera zoveel mogelijk pixels heeft, Xiao zei. "Elke magnetische pixel in onze camera is een individuele magnetische sensor. De sensoren moeten klein zijn en mogen niet te veel stroom verbruiken, dus deze nieuwe sensor zou nuttig kunnen zijn in onze camera."