新型磁力计敏感度提升二十倍

美国布朗大学(Brown University)的科学家发明了一种体积微小、敏感度很高的磁力计。研究者称在磁敏免疫分析、量子材料磁场高分辨率成像方面有很好的应用前景。

这项发明的主要研究者之一布朗大学物理系的肖刚(Gang Xiao,译音)说:“我们身边几乎一切都在产生磁场,从电子设备到我们跳动的心脏。通过这些磁场我们可以得到这些系统的信息。我们发明了一种新型磁场感应器,敏感度很高、体积很小,制造成本不高、耗电量不大,有很多潜在用途。”

研究人员介绍说,传统的磁力计通过霍尔效应感应磁场。当带电导体与磁场接触的时候,电子发生垂直偏转产生垂直方向上的电压,从而判断磁场的存在。

新仪器则基于异常霍尔效应——在磁性材料中,不同自旋方向的电子向不同方向发散,产生微小的电压。

新仪器的核心部件是一层由钴、铁和硼原子构成的超薄铁磁膜。多数电子的自旋方向偏好与薄膜平行,称为平面各项异性;当薄膜在强磁场高温炉中处理过后,电子的自旋偏好变为与薄膜垂直,称为垂直各项异性。在两种特性强度平衡的情况下,如果出现外来磁场,电子容易改变它们的自旋方向。这种变化产生的电压能被感应器侦测到。

研究者说,很微弱的磁场都能改变电子的自旋方向,所以这种感应器的敏感度可以达到传统霍尔感应器的二十倍左右。

感应器的关键技术在于钴铁硼膜的厚度。太厚了需要较强的磁场才能触发电子的变化,即降低了仪器的敏感度;太薄了电子不稳定,容易自发出现改变,导致仪器失灵。研究人员发现0.9纳米的厚度最合适,相当于四五个原子的厚度。

研究组认为这种仪器在医疗领域,进行磁敏免疫分析,检测液体样品中病原体有很好的应用前景。

“因为这种感应器很小,我们可以把几千个、几万个感应器放在一块芯片上,这样芯片一次可以检测很多项目。这将让检测更容易、更经济。”

另一个用途也是这个研究组一直在开发的磁感应相机,可以对量子材料的磁场进行高精度成像。这有助于研究人员更好的了解这些材料的特性。

“就像普通的相机,我们希望像素越多越好。这种相机上,每个磁感应器就相当于一个像素。感应器要很小,耗能小,因此这种新感应器很适合这项用途。”

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