Новые датчики способны обнаруживать подлодки на глубине до 500 метров

Китайские ученые разработали миниатюрный магнитный датчик с рекордно низким уровнем шума, который способен регистрировать чрезвычайно слабые магнитные поля. В перспективе технология может найти применение от носимой электроники и медицинских приборов до систем обнаружения объектов под водой, сообщает SCMP.

Разработку создали исследователи из Института физических наук Хэфэя и Нинбо. В ее основе лежит усовершенствованный датчик Холла, в котором ученые смогли существенно уменьшить паразитный шум материала и сохранить высокую чувствительность к внешнему магнитному полю.

Почему обычные датчики теряют слабый сигнал

Датчики Холла работают за счет хорошо известного физического эффекта: электрический ток проходит через тонкий магнитный материал, а внешнее магнитное поле отклоняет движущиеся электроны. В результате на краях материала возникает поперечное напряжение, величина которого зависит от силы магнитного поля.

Проблема возникает при регистрации очень слабых полей. Сам материал датчика постоянно испытывает внутренние магнитные флуктуации. Их причиной могут быть тепловые и квантовые процессы, а возникающий паразитный сигнал способен буквально перекрывать полезные данные.

Китайские исследователи решили эту проблему не за счет традиционного охлаждения, а благодаря изменению самой магнитной структуры чувствительного элемента.

Ученые ускорили движение магнитных структур

Исследователи использовали искусственно созданный ферримагнетик - многослойный магнитный материал, в котором спиновые структуры способны очень быстро изменяться.

По их наблюдениям, чем быстрее перемещаются эти магнитные структуры, тем ниже становится низкочастотный шум. Благодаря этому датчику удалось значительно улучшить соотношение между полезным сигналом и внутренними помехами.

Чувствительный элемент имеет площадь всего 20 на 20 микрометров. При частоте 1 Гц чувствительность составила около 15,7 нТл/√Гц, что, по данным исследователей, почти в десять раз лучше показателей обычных ферромагнитных датчиков Холла сопоставимого класса.

При этом высокая чувствительность к внешнему магнитному полю сохранилась.

Датчик можно встроить в компактные устройства

Небольшой размер разработки открывает возможности для ее использования там, где крупные магнитные сенсоры неприменимы. По мнению авторов работы, технология может использоваться в умных часах, медицинских устройствах, автомобильной электронике и лабораторных системах для биологических исследований.

Еще одно перспективное направление - магнитная микроскопия высокого разрешения, которая позволяет изучать свойства наномагнитных материалов.

По данным SCMP, теоретически подобный сенсор способен регистрировать слабые магнитные следы крупных металлических объектов под водой на значительном расстоянии, вплоть до сотен метров. Исследователи рассматривают это как одно из потенциальных применений новой технологии.

Технологию хотят сделать еще чувствительнее

Ученые считают, что обнаруженная ими зависимость - снижение шума при ускорении спиновой динамики - может быть характерна и для других магнитных материалов.

В дальнейшем исследователи планируют оптимизировать структуру датчика и подобрать материалы с еще более быстрым изменением магнитных состояний. Это, по их мнению, позволит дополнительно снизить уровень шума и создавать сверхчувствительные компактные сенсоры, способные работать при комнатной температуре без сложных систем охлаждения.