Un equipo de físicos de la Universidad de Brown ha desarrollado un nuevo tipo de magnetómetro compacto y ultrasensible. El nuevo dispositivo podría ser útil en una variedad de aplicaciones que involucran campos magnéticos débiles, dicen los investigadores.
"Casi todo lo que nos rodea genera un campo magnético, desde nuestros dispositivos electrónicos hasta nuestros corazones palpitantes, y podemos usar esos campos para obtener información sobre todos estos sistemas", dijo Gang Xiao, presidente del Departamento de Física de Brown yautor principal de un artículo que describe el nuevo dispositivo. "Hemos descubierto una clase de sensores que son ultrasensibles, pero también son pequeños, económicos y no utilizan mucha energía. Creemos que podría haber muchas aplicaciones potenciales para estosnuevos sensores "
El nuevo dispositivo se detalla en un documento publicado en letras de física aplicada . El estudiante graduado de Brown Yiou Zhang y el investigador postdoctoral Kang Wang fueron los autores principales de la investigación.
Una forma tradicional de detectar campos magnéticos es a través de lo que se conoce como el efecto Hall. Cuando un material conductor que lleva corriente entra en contacto con un campo magnético, los electrones en esa corriente se desvían en una dirección perpendicular a su flujo. Eso crea unpequeño voltaje perpendicular, que pueden usar los sensores Hall para detectar la presencia de campos magnéticos.
El nuevo dispositivo utiliza un primo para el efecto Hall, conocido como el efecto Hall anómalo AHE, que surge en materiales ferromagnéticos. Mientras que el efecto Hall surge debido a la carga de electrones, el AHE surge del electrónspin, el pequeño momento magnético de cada electrón. El efecto hace que los electrones con diferentes espines se dispersen en diferentes direcciones, lo que da lugar a un voltaje pequeño pero detectable.
El nuevo dispositivo utiliza una película ferromagnética ultradelgada hecha de átomos de cobalto, hierro y boro. Los espines de los electrones prefieren alinearse en el plano de la película, una propiedad llamada anisotropía en el plano. Después de que se trata la películaen un horno de alta temperatura y bajo un fuerte campo magnético, los espines de los electrones tienden a orientarse perpendicularmente a la película con lo que se conoce como anisotropía perpendicular. Cuando estas dos anisotropías tienen la misma fuerza, los espines de electrones pueden reorientarse fácilmente siel material entra en contacto con un campo magnético externo. Esa reorientación de los giros de electrones es detectable a través del voltaje AHE.
No se necesita un campo magnético fuerte para voltear los giros en la película, lo que hace que el dispositivo sea bastante sensible. De hecho, es hasta 20 veces más sensible que los sensores de efecto Hall tradicionales, dicen los investigadores.
La clave para que el dispositivo funcione es el grosor de la película de cobalto-hierro-boro. Una película que es demasiado gruesa requiere campos magnéticos más fuertes para reorientar los espines de electrones, lo que disminuye la sensibilidad. Si la película es demasiado delgada, los espines de electrones podrían reorientarsela suya, lo que provocaría que el sensor fallara. Los investigadores descubrieron que el punto óptimo para el grosor era de 0.9 nanómetros, un grosor de aproximadamente cuatro o cinco átomos.
Los investigadores creen que el dispositivo podría tener aplicaciones generalizadas. Un ejemplo que podría ser útil para los médicos es el inmunoensayo magnético, una técnica que utiliza el magnetismo para buscar patógenos en muestras de fluidos.
"Debido a que el dispositivo es muy pequeño, podemos poner miles o incluso millones de sensores en un chip", dijo Zhang. "Ese chip podría probar muchas cosas diferentes al mismo tiempo en una sola muestra. Eso facilitaría las pruebas ymenos costoso."
Otra aplicación podría ser parte de un proyecto en curso en el laboratorio de Xiao respaldado por la National Science Foundation. Xiao y sus colegas están desarrollando una cámara magnética que puede crear imágenes de alta definición de campos magnéticos producidos por materiales cuánticos.el perfil ayudaría a los investigadores a comprender mejor las propiedades de estos materiales.
"Al igual que una cámara normal, queremos que nuestra cámara magnética tenga tantos píxeles como sea posible", dijo Xiao. "Cada píxel magnético en nuestra cámara es un sensor magnético individual. Los sensores deben ser pequeños y no puedenconsume demasiada energía, por lo que este nuevo sensor podría ser útil en nuestra cámara "
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation OMA-1936221.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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