Aktywny obszar nowego sensora ma zaledwie 20 x 20 mikrometrów, a jego zastosowanie może prowadzić do opracowania smartwatcha, który będzie w stanie śledzić łodzie podwodne zanurzone w głębinach oceanu. Dane opublikowane w Physical Review Letters wskazują na stworzenie detektora, który bez problemu zmieści się w smartwatchu i charakteryzuje się wysoką odpornością na szum generowany wraz ze wzrostem głębokości obiektu.
Zespół złożony z naukowców z Chińskiej Akademii Nauk oraz Eastern Institute of Technology opracował miniaturowy sensor wykorzystujący anomalny efekt Halla. Badanie przeprowadzone w lipcu br. w Physical Review Letters dostarcza cennych informacji na temat osiągnięć zespołu. Przy częstotliwości 1 Hz urządzenie uzyskało zdolność wykrywania pola magnetycznego na poziomie 15,7 nanotesli na pierwiastek z herca. To niemal dziesięciokrotna poprawa w porównaniu do wcześniejszych sensorów wykonanych z materiałów ferromagnetycznych, do których badacze porównali swoje osiągnięcie.
Większa czułość to większy szum? Nie tutaj
Czujniki Halla rozpoznają pole magnetyczne dzięki napięciu, które pojawia się poprzecznie do płynącego prądu. Są małe, szybkie i zasadniczo proste, co sprawia, że z powodzeniem znajduje się je w telefonach, zegarkach, samochodach i właściwie wszędzie tam, gdzie dokonuje się jakichkolwiek pomiarów. Problem pojawia się jednak w przypadku próby wychwytywania bardzo słabych pól: zwiększanie czułości wzmacnia jednocześnie zakłócenia, szczególnie przy niskich częstotliwościach. W takim przypadku użyteczny sygnał może zniknąć w szumie generowanym przez materiał sam w sobie.
Źródłem części tego szumu są tzw. tekstury spinowe, które reprezentują przestrzenne układy mikroskopijnych momentów magnetycznych w materiale. Charakteryzują się one drganiem, przesuwaniem się oraz przechodzeniem między stanami, co wpływa na napięcie mierzone przez sam sensor. Chiński zespół stworzył model, który łączy szum z charakterystyczną częstotliwością tej dynamiki. Pomiary wykazały związek odwrotny — im szybciej ewoluowały tekstury spinowe, tym niższy był rejestrowany szum na niskich częstotliwościach.
Syntetyczny ferrimagnetyk oddzielił czułość od zakłóceń
Badacze zaprojektowali wielowarstwową strukturę tworzącą syntetyczny ferrimagnetyk, w którym interakcje między warstwami przyspieszają dynamikę tekstur spinowych. Kluczowa była tutaj grubość warstw oraz obróbka cieplna (w kontekście dokładności), a anizotropia magnetyczna musiała zostać dostrojona do obszaru reorientacji spinów. Udało się w ten sposób ograniczyć szum, zachowując jednocześnie silną reakcję materiału na zewnętrzne pole. To właśnie jest kluczowym osiągnięciem badaczy: miniaturowy detektor łodzi podwodnych to jedynie demonstracja skali ich możliwości.
Sensor wykorzystuje anomalny efekt Halla, charakterystyczny dla materiałów magnetycznych, związany z ich namagnesowaniem oraz oddziaływaniem spin-orbita. Aktywna część sensora zajmuje kwadrat o boku 20 mikrometrów: to znacznie mniej niż średnica ludzkiego włosa. Jednak kompletny detektor, wraz z elektroniką sterującą, zasilaniem i obróbką sygnału, nie będzie tak mały jak wspomniany włos. Badanie dotyczy elementu pomiarowego wykonanego i przetestowanego w warunkach laboratoryjnych, więc ostateczny produkt może być nieco większy.
Co z tymi okrętami?
Stalowy kadłub okrętu zakłóca ziemskie pole magnetyczne, dlatego magnetometry od lat uzupełniają sonary w systemach wykrywania anomalii magnetycznych. Oczekiwano wzmianków, że nowy sensor mógłby rozpoznać okręt z odległości około 500 metrów. Jednak warto tu zaznaczyć, że nie przeprowadzono jeszcze badań, które wskazywałyby na realną analizę z okrętem. Nie posiadamy także konkretnego modelu kadłuba ani raportu z testów morskich. Zasięg działania zależy od wielu czynników, w tym efektywności odfiltrowywania zakłóceń. Jest to obiecujące, lecz… do momentu przeprowadzenia rzeczywistych testów, warto podchodzić do tego z ostrożnością. Mimo to, nie można tego uznać za niemożliwe.
Czytaj również: Jeżeli chcesz poczuć się jak w filmie szpiegowskim, ten smartwatch jest dla Ciebie.