Китайские учёные из Института физических наук в Хэфэе и Нинбоского института материаловедения разработали сверхчувствительный магниторезистивный датчик. Он основан на эффекте Холла и имеет рекордно низкий уровень собственных шумов. Это позволяет устройству регистрировать магнитные поля напряжённостью около 15,7 нанотесла на квадратный герц на частоте 1 Гц. Размер активной области сенсора составляет всего 20 на 20 микрометров, что примерно соответствует размеру человеческой кожной клетки. Это почти на порядок превышает чувствительность предыдущих ферромагнитных датчиков Холла такого же класса.
Теоретически, новый датчик способен обнаруживать магнитный сигнал от стального корпуса подводной лодки с расстояния до полукилометра. Однако разработчики акцентируют внимание на более мирных применениях. Среди них — компактная магнитная кардиография, измерение магнитных полей головного мозга, создание биосенсоров в формате «лаборатория на чипе» и высокоразрешающая магнитная микроскопия.
Проблема высокочувствительных магнитных датчиков заключается в том, что при усилении сигнала магнитный материал начинает генерировать собственные флуктуации, которые маскируют полезный сигнал. Это подобно шуму, возникающему при увеличении громкости аудиосистемы.
Для решения этой проблемы команда учёных использовала явление, которое они назвали динамикой спиновой текстуры.
В ферромагнетиках намагниченность редко бывает однородной. Внутри материала существуют домены, границы и другие трёхмерные структуры, которые постоянно меняются со временем. Это похоже на то, как поле высокой травы колышется от порывов ветра. Отдельные травинки символизируют спины электронов, а крупные участки с одинаковым наклоном — магнитные домены.
Исследователи обнаружили, что чем быстрее меняются эти магнитные текстуры, тем ниже становится уровень низкочастотного шума датчика. На основе этого принципа был создан многослойный магнитный материал — синтетический ферримагнит — с ускоренной динамикой спиновых конфигураций. Такая структура позволяет сохранять сильный холловский отклик на внешнее магнитное поле, одновременно подавляя нежелательные внутренние флуктуации.
Учёные считают, что найденная закономерность применима и к другим магнитным материалам. Они уверены, что дальнейшее ускорение спиновой динамики может значительно снизить уровень шума.
Хотя сообщения о возможном обнаружении подводных лодок привлекли внимание прессы, разработчики подчёркивают, что их разработка в первую очередь предназначена для медицинских приборов, автомобильных сенсорных систем и лабораторной диагностики.
