利用反常霍尔效应,科学家研发出新型超灵敏磁传感器

布朗大学的一个物理学家团队开发了一种新型的紧凑型超灵敏磁传感器,这种新设备可能在涉及弱磁场的各种应用中很有用。

  6月9日消息,布朗大学的一个物理学家团队开发了一种新型的紧凑型超灵敏磁传感器,这种新设备可能在涉及弱磁场的各种应用中很有用。

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  布朗物理系主任、《物理学》杂志的资深作者肖刚说:“ 从我们的电子设备到跳动的心脏,几乎我们周围的所有事物都会产生磁场,我们可以利用这些磁场来获取有关系统的信息,我们发现了一类超灵敏的传感器,但是它们又小巧,制造便宜,消耗的功率也不大,我们认为这些新型传感器可能有很多潜在的应用。”

  在“ 应用物理学快报”上发表的一篇论文中详细阐述了这种新设备,布朗研究生Yiou Zhang和博士后研究员王康是该研究的主要作者。

  一般来说,感应磁场的传统方法是通过所谓的霍尔效应,当携带电流的导电材料与磁场接触时,该电流中的电子会在垂直于其流动方向上发生偏转。这会产生一个小的垂直电压,霍尔传感器可以使用它来检测磁场的存在。

  该新设备利用了霍尔效应的一个近亲,称为反常霍尔效应(AHE),它产生于铁磁材料中。霍尔效应是由于电子的电荷而产生的,而AHE是由于电子自旋(每个电子的微小磁矩)而产生的,这种作用使具有不同自旋的电子沿不同方向分散,从而产生很小但可检测的电压。

  同时,新设备使用了由钴、铁和硼原子制成的超薄铁磁膜。电子的自旋倾向于在薄膜的平面内排列,这种特性称为平面内各向异性。在高温炉中并在强磁场下处理薄膜后,电子的自旋发展为倾向于垂直于薄膜的趋势,即所谓的垂直各向异性。当这两个各向异性具有相同的强度时,如果材料与外部磁场接触,则电子自旋很容易重新定向,通过AHE电压可以检测到电子自旋的重新定向。

  使设备正常工作的关键是钴-铁-硼薄膜的厚度。太厚的薄膜需要更强的磁场来重新定向电子自旋,从而降低了灵敏度;如果薄膜太薄,电子自旋可能会自行重新定向,这将导致传感器发生故障。研究人员发现,厚度的最佳点是0.9纳米,厚度约为4或5个原子。

  不需要很强的磁场就能翻转薄膜中的自旋,这使得该设备非常灵敏。研究人员说,实际上,它的灵敏度比传统的霍尔效应传感器高20倍。研究人员认为该设备可能具有广泛的应用。可能对医生有用的一个例子是磁性免疫测定法,该技术利用磁性来寻找液体样本中的病原体。

  研究人员说:“由于设备非常小,我们可以在一个芯片上放置数千个甚至数百万个传感器,该芯片可以在一个样本中一次测试许多不同的事物,这将使测试更加容易且成本更低。”

  另一个应用程序可能是由美国国家科学基金会资助的肖氏实验室正在进行的项目的一部分。肖和他的同事们正在开发一种电磁照相机,可以对量子材料产生的磁场进行高清成像,如此详细的磁性轮廓将有助于研究人员更好地了解这些材料的特性。“就像普通相机一样,我们希望我们的磁性相机具有尽可能多的像素。我们相机中的每个磁性像素都是一个单独的磁传感器。传感器必须很小,并且不能消耗太多功率,因此这种新的传感器在我们的相机中很有用。”

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