"Szinte minden, ami körülvesz bennünket, saját magunkat is beleértve, mágneses mezőt termel, elektronikus eszközeinktől pulzáló szívünkig, és ezek a mezők adatokat szolgáltatnak ezekről a rendszerekről"

- mondta el Gang Xiao, a Brown Fizikai Tanszék elnöke, az új eszközt leíró cikk vezető szerzője. Mellette Yiou Zhang barna végzős hallgató és Kang Wang posztdoktori kutató végezték a kutatást.

A Brown Egyetem fizikusai új, kompakt, ultraérzékeny magnetométert fejlesztettek ki, ami számos alkalmazásban segíthet, beleértve a gyenge mágneses mezők felismerését is. A felfedezés az érzékelők egy egész osztályát érinti, melyek rendkívül érzékenyek, kis méretűek, olcsón gyárthatóak és nem fogyasztanak sok energiát.

Hall-effektus

Hagyományosan a mágneses mezőket a Hall-effektus segítségével mérik. Amikor egy áramvezető anyag érintkezésbe kerül egy mágneses mezővel, akkor az ebben az áramban levő elektronok elterelődnek az áramlásra merőleges irányban. Ez létrehoz egy kis merőleges feszültséget, amelyet a Hall érzékelők felhasználhatnak a mágneses mezők észlelésére.

Az új eszköz egy közeli jelenséget, a Hall effektus anomáliát (AHE) használja fel, ami ferromágneses anyagokban jelentkezik. Amíg a Hall-effektus az elektronok töltése miatt jelentkezik, addig az AHE az elektron-spinből, azaz az egyes elektronok apró mágneses momentumából adódik. A hatás azt eredményezi, hogy a különböző spinű elektronok többféle módon szóródnak szét, ami felkínál egy apró, bár észlelhető feszültséget. 

Csak néhány atom

Maga az eszköz egy ultravékony ferromágneses filmből áll, amely kobalt, vas és bór atomokból épül fel. Az elektronok spinjei igyekeznek igazodni a film síkjában, ezt a tulajdonságot síkbeli anizotrópiának nevezzük. Miután a filmet magas hőmérsékletű kemencében, erős mágneses mező alatt kezelték, az elektronok spinjei törekedni kezdenek arra, hogy merőlegesen helyezkedjenek el a filmhez képest, úgynevezett merőleges anizotrópiával.

Amikor ez a két anizotrópia azonos erősségű, az elektron-spinek gyorsan újraorientálódnak, ha az anyag külső mágneses mezővel érintkezik. Az elektron-spineknek ez az újrarendeződése kimutatható az AHE feszültségén keresztül. A készülék 20-szor érzékenyebb, mint a hagyományos, konvencionális Hall-effektus érzékelők. 

Az érzékenység kulcsa az, hogy nincs szükség erős mágneses mezőre a filmben a spinek megfordításához, sőt, az eszköz működésének kulcsa a kobalt-vas-bór film vastagsága. Ha túl vastag a film, erősebb mágneses térre van szükség az elektron-spinek újraorientálásához, ami csökkenti az érzékenységet. Ha a film túl vékony, az elektron-spinek önmaguktól is újrarendeződhetnek, ami az érzékelő hibás működését okozhatja. A kutatók megállapították, hogy a megfelelő vastagság 0,9 nanométer, körülbelül négy vagy öt atom vastagsága.

A felhasználási területekről Zhang elmondta: „A készüléknek széles körű alkalmazásai lehetnek. Egy példa, amely az orvosok számára lehet hasznos, a mágneses immunvizsgálat."

"Ez egy olyan módszer, amely a mágnesesség segítségével keres kórokozókat a folyadékmintákban. Mivel az eszköz nagyon kicsi, lehetséges ezer vagy akár több millió érzékelő elhelyezése egyetlen chipen. Ez a chip számtalan különböző patogént is megtalálhat egyszerre, egyetlen mintában, ami könnyebbé és olcsóbbá tenné a tesztelést.”

Az új eszköz leírását az Applied Physics Letters-ben tették közzé.

(Forrás: AIP Képek: Pexels)