Un team di fisici della Brown University ha sviluppato un nuovo tipo di compatto, magnetometro ultrasensibile. Il nuovo dispositivo potrebbe essere utile in una varietà di applicazioni che coinvolgono deboli campi magnetici, dicono i ricercatori.

"Quasi tutto ciò che ci circonda genera un campo magnetico, dai nostri dispositivi elettronici ai nostri cuori che battono, e possiamo usare quei campi per ottenere informazioni su tutti questi sistemi, " ha detto Gang Xiao, presidente del Brown Department of Physics e autore senior di un articolo che descrive il nuovo dispositivo. "Abbiamo scoperto una classe di sensori ultrasensibili, ma sono anche piccoli, poco costoso da realizzare e non consuma molta energia. Riteniamo che potrebbero esserci molte potenziali applicazioni per questi nuovi sensori".

Il nuovo dispositivo è dettagliato in un articolo pubblicato su Lettere di fisica applicata . Lo studente laureato Brown Yiou Zhang e il ricercatore post-dottorato Kang Wang sono stati gli autori principali della ricerca.

Un modo tradizionale di rilevare i campi magnetici è attraverso il cosiddetto effetto Hall. Quando un materiale conduttore percorso da corrente entra in contatto con un campo magnetico, gli elettroni in quella corrente vengono deviati in una direzione perpendicolare al loro flusso. Che crea una piccola tensione perpendicolare, che può essere utilizzato dai sensori di Hall per rilevare la presenza di campi magnetici.

Il nuovo dispositivo utilizza un cugino dell'effetto Hall, noto come effetto Hall anomalo (AHE), che si verifica nei materiali ferromagnetici. Mentre l'effetto Hall si verifica a causa della carica degli elettroni, l'AHE deriva dallo spin dell'elettrone, il minuscolo momento magnetico di ciascun elettrone. L'effetto fa sì che gli elettroni con spin diversi si disperdano in direzioni diverse, che dà origine a una piccola ma rilevabile tensione.

Il nuovo dispositivo utilizza un film ferromagnetico ultrasottile in cobalto, atomi di ferro e boro. Gli spin degli elettroni preferiscono essere allineati nel piano del film, una proprietà chiamata anisotropia nel piano. Dopo che il film è stato trattato in un forno ad alta temperatura e sotto un forte campo magnetico, gli spin degli elettroni sviluppano una tendenza ad essere orientati perpendicolarmente al film con la cosiddetta anisotropia perpendicolare. Quando queste due anisotropie hanno uguale forza, gli spin degli elettroni possono facilmente riorientarsi se il materiale entra in contatto con un campo magnetico esterno. Quel riorientamento degli spin degli elettroni è rilevabile attraverso la tensione AHE.

Non ci vuole un forte campo magnetico per capovolgere gli spin nel film, che rende il dispositivo abbastanza sensibile. Infatti, è fino a 20 volte più sensibile dei tradizionali sensori ad effetto Hall, dicono i ricercatori.

La chiave per far funzionare il dispositivo è lo spessore del film di cobalto-ferro-boro. Un film troppo spesso richiede campi magnetici più forti per riorientare gli spin degli elettroni, che diminuisce la sensibilità. Se il film è troppo sottile, gli spin degli elettroni potrebbero riorientarsi da soli, che causerebbe il guasto del sensore. I ricercatori hanno scoperto che il punto debole per lo spessore era di 0,9 nanometri, uno spessore di circa quattro o cinque atomi.

I ricercatori ritengono che il dispositivo potrebbe avere applicazioni diffuse. Un esempio che potrebbe essere utile ai medici è il dosaggio immunologico magnetico, una tecnica che utilizza il magnetismo per cercare gli agenti patogeni nei campioni di fluido.

"Poiché il dispositivo è molto piccolo, possiamo mettere migliaia o addirittura milioni di sensori su un chip, " ha detto Zhang. "Quel chip potrebbe testare molte cose diverse contemporaneamente in un singolo campione. Ciò renderebbe i test più facili e meno costosi."

Un'altra applicazione potrebbe essere parte di un progetto in corso nel laboratorio di Xiao supportato dalla National Science Foundation. Xiao e i suoi colleghi stanno sviluppando una fotocamera magnetica in grado di realizzare immagini ad alta definizione di campi magnetici prodotti da materiali quantistici. Un profilo magnetico così dettagliato aiuterebbe i ricercatori a comprendere meglio le proprietà di questi materiali.

"Proprio come una normale macchina fotografica, vogliamo che la nostra fotocamera magnetica abbia il maggior numero possibile di pixel, " Xiao ha detto. "Ogni pixel magnetico nella nostra fotocamera è un sensore magnetico individuale. I sensori devono essere piccoli e non possono consumare troppa energia, quindi questo nuovo sensore potrebbe essere utile nella nostra fotocamera."