新型緊湊型超靈敏磁力計(jì)研發(fā)成功，比傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器高20倍

6月8日消息，布朗大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的緊湊型超靈敏磁力計(jì)。研究人員說，這種新設(shè)備可能在涉及弱磁場(chǎng)的各種應(yīng)用中很有用?！皬奈覀兊?a target="_blank">電子設(shè)備到跳動(dòng)的心臟，幾乎我們周圍的所有事物都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們可以利用這些磁場(chǎng)來獲取有關(guān)所有這些系統(tǒng)的信息，”布朗物理系主任，《物理學(xué)》雜志的高級(jí)作者岡曉說。描述新設(shè)備的文件。“我們發(fā)現(xiàn)了一類超靈敏的傳感器，但是它們又小巧，制造便宜，消耗的功率也不大。我們認(rèn)為這些新型傳感器可能有很多潛在的應(yīng)用?！?/p>

在“ 應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)”上發(fā)表的一篇論文中對(duì)該新設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的描述。布朗研究生Yiou Zhang和博士后研究員Kang Wang是該研究的主要作者。

感應(yīng)磁場(chǎng)的傳統(tǒng)方法是通過所謂的霍爾效應(yīng)。當(dāng)攜帶電流的導(dǎo)電材料與磁場(chǎng)接觸時(shí)，該電流中的電子會(huì)在垂直于其流動(dòng)方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的垂直電壓，霍爾傳感器可以使用它來檢測(cè)磁場(chǎng)的存在。

新設(shè)備利用表親來應(yīng)對(duì)霍爾效應(yīng)（稱為霍爾異常效應(yīng)（AHE）），該效應(yīng)發(fā)生在鐵磁材料中?；魻栃?yīng)是由于電子的電荷而產(chǎn)生的，而AHE是由于電子自旋（每個(gè)電子的微小磁矩）而產(chǎn)生的。該效應(yīng)導(dǎo)致具有不同自旋的電子沿不同方向分散，從而產(chǎn)生很小但可檢測(cè)的電壓。

新設(shè)備使用了由鈷，鐵和硼原子制成的超薄鐵磁膜。電子的自旋傾向于在薄膜的平面內(nèi)排列，這種特性稱為平面內(nèi)各向異性。在高溫爐中并在強(qiáng)磁場(chǎng)下處理薄膜后，電子的自旋發(fā)展為垂直于薄膜的趨勢(shì)，即所謂的垂直各向異性。當(dāng)這兩個(gè)各向異性具有相同的強(qiáng)度時(shí)，如果材料與外部磁場(chǎng)接觸，則電子自旋很容易重新定向。通過AHE電壓可以檢測(cè)到電子自旋的重新定向。

不需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)就能翻轉(zhuǎn)薄膜中的自旋，這使得該設(shè)備非常靈敏。研究人員說，實(shí)際上，它的靈敏度比傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器高20倍。

使設(shè)備正常工作的關(guān)鍵是鈷-鐵-硼薄膜的厚度。太厚的薄膜需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)來重新定向電子自旋，從而降低了靈敏度。如果薄膜太薄，電子自旋可能會(huì)自行重新定向，這將導(dǎo)致傳感器發(fā)生故障。研究人員發(fā)現(xiàn)，厚度的最佳點(diǎn)是0.9納米，厚度約為4或5個(gè)原子。

研究人員認(rèn)為該設(shè)備可能具有廣泛的應(yīng)用。磁免疫測(cè)定是一個(gè)可能對(duì)醫(yī)生有用的例子，該技術(shù)利用磁來尋找液體樣本中的病原體。

張說：“由于設(shè)備非常小，我們可以在一個(gè)芯片上放置數(shù)千個(gè)甚至數(shù)百萬個(gè)傳感器?！?“該芯片可以在一個(gè)樣本中一次測(cè)試許多不同的事物。這將使測(cè)試更加容易且成本更低?！?/p>

另一個(gè)應(yīng)用程序可能是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的肖氏實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的項(xiàng)目的一部分。肖和他的同事們正在開發(fā)一種電磁照相機(jī)，可以對(duì)量子材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行高清成像。如此詳細(xì)的磁性輪廓將有助于研究人員更好地了解這些材料的特性。

肖說：“就像普通相機(jī)一樣，我們希望我們的磁性相機(jī)具有盡可能多的像素。” “我們相機(jī)中的每個(gè)磁性像素都是一個(gè)單獨(dú)的磁傳感器。傳感器需要很小，并且不能消耗太多功率，因此這種新傳感器在我們的相機(jī)中很有用?！?/p>

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