Uma equipe de físicos da Brown University desenvolveu um novo tipo de compacto, magnetômetro ultra-sensível. O novo dispositivo pode ser útil em uma variedade de aplicações envolvendo campos magnéticos fracos, dizem os pesquisadores.

"Quase tudo ao nosso redor gera um campo magnético - desde nossos dispositivos eletrônicos até nossos corações pulsantes - e podemos usar esses campos para obter informações sobre todos esses sistemas, "disse Gang Xiao, presidente do Departamento de Física de Brown e autor sênior de um artigo que descreve o novo dispositivo. “Nós descobrimos uma classe de sensores que são ultrassensíveis, mas também são pequenos, barato de fazer e não usa muita energia. Achamos que pode haver muitas aplicações potenciais para esses novos sensores. "

O novo dispositivo é detalhado em artigo publicado na Cartas de Física Aplicada . O estudante de graduação de Brown Yiou Zhang e o pesquisador de pós-doutorado Kang Wang foram os principais autores da pesquisa.

Uma forma tradicional de detectar campos magnéticos é por meio do que é conhecido como efeito Hall. Quando um material condutor de corrente entra em contato com um campo magnético, os elétrons nessa corrente são desviados em uma direção perpendicular ao seu fluxo. Isso cria uma pequena tensão perpendicular, que pode ser usado por sensores Hall para detectar a presença de campos magnéticos.

O novo dispositivo faz uso de um primo do efeito Hall - conhecido como efeito Hall anômalo (AHE) - que surge em materiais ferromagnéticos. Enquanto o efeito Hall surge devido à carga dos elétrons, o AHE surge do spin do elétron, o minúsculo momento magnético de cada elétron. O efeito faz com que os elétrons com diferentes spins se dispersem em diferentes direções, que dá origem a uma tensão pequena, mas detectável.

O novo dispositivo usa um filme ferromagnético ultrafino feito de cobalto, átomos de ferro e boro. Os spins dos elétrons preferem estar alinhados no plano do filme, uma propriedade chamada anisotropia no plano. Depois que o filme é tratado em um forno de alta temperatura e sob um forte campo magnético, os spins dos elétrons desenvolvem uma tendência a serem orientados perpendicularmente ao filme com o que é conhecido como anisotropia perpendicular. Quando essas duas anisotropias têm força igual, Os spins do elétron podem se reorientar facilmente se o material entrar em contato com um campo magnético externo. Essa reorientação dos spins do elétron é detectável por meio da voltagem AHE.

Não é necessário um campo magnético forte para inverter as rotações do filme, o que torna o dispositivo bastante sensível. Na verdade, é até 20 vezes mais sensível do que os sensores de efeito Hall tradicionais, dizem os pesquisadores.

A chave para fazer o dispositivo funcionar é a espessura do filme de cobalto-ferro-boro. Um filme muito espesso requer campos magnéticos mais fortes para reorientar os spins do elétron, o que diminui a sensibilidade. Se o filme for muito fino, os spins do elétron podem se reorientar por conta própria, o que faria com que o sensor falhasse. Os pesquisadores descobriram que o ponto ideal para a espessura era de 0,9 nanômetros, uma espessura de cerca de quatro ou cinco átomos.

Os pesquisadores acreditam que o dispositivo pode ter aplicações generalizadas. Um exemplo que pode ser útil para médicos é o imunoensaio magnético, uma técnica que usa magnetismo para procurar patógenos em amostras de fluidos.

"Porque o dispositivo é muito pequeno, podemos colocar milhares ou até milhões de sensores em um chip, "Zhang disse." Esse chip pode testar muitas coisas diferentes ao mesmo tempo em uma única amostra. Isso tornaria o teste mais fácil e mais barato. "

Outra aplicação poderia ser como parte de um projeto em andamento no laboratório de Xiao com o apoio da National Science Foundation. Xiao e seus colegas estão desenvolvendo uma câmera magnética que pode fazer imagens de alta definição de campos magnéticos produzidos por materiais quânticos. Esse perfil magnético detalhado ajudaria os pesquisadores a entender melhor as propriedades desses materiais.

"Assim como uma câmera normal, queremos que nossa câmera magnética tenha o máximo de pixels possível, "Xiao disse." Cada pixel magnético em nossa câmera é um sensor magnético individual. Os sensores precisam ser pequenos e não podem consumir muita energia, portanto, este novo sensor pode ser útil em nossa câmera. "