研究人员开发了探测磁场的超灵敏装置

布朗大学的一组物理学家开发了一种新型的紧凑的、超灵敏的磁强计。研究人员说，这种新设备可能在涉及弱磁场的各种应用中有用。

“几乎所有周围产生一个磁场,从我们的电子设备跳动的心,我们可以使用这些字段来获得所有这些信息系统,“帮肖说,布朗物理系的主席和资深作者的一篇论文描述了新设备。“我们已经发现了一种超灵敏的传感器，但它们体积小，制造成本低，耗能也不多。我们认为这些新型传感器有很多潜在的应用。”

《应用物理快报》上发表的一篇论文详细介绍了这种新装置。布朗大学研究生张耀和博士后研究员王康是这项研究的主要作者。

传统的感应磁场的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，电流中的电子就会向垂直于电流的方向偏转。这就产生了一个小的垂直电压，霍尔传感器可以利用它来探测磁场的存在。

这种新装置利用了在铁磁材料中出现的霍尔效应——反常霍尔效应(AHE)。霍尔效应产生于电子的电荷，而AHE产生于电子自旋，即每个电子的微小磁矩。该效应使具有不同自旋的电子向不同方向分散，从而产生一个小但可检测的电压。

这种新设备使用一种由钴、铁和硼原子组成的超薄铁磁薄膜。电子的自旋倾向于在薄膜的平面上排列，这种特性称为平面内各向异性。薄膜在高温炉和强磁场下处理后，电子的自旋发展成垂直于薄膜的方向，即所谓的垂直各向异性。当这两种各向异性具有相同的强度时，当材料与外部磁场接触时，电子自旋可以很容易地重新定向。电子自旋的重定向可以通过电压检测到。

不需要强磁场就能翻转胶片的旋转，这使得该设备非常敏感。研究人员说，事实上，它比传统霍尔效应传感器的灵敏度高20倍。

使该装置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调整电子旋转方向，这会降低灵敏度。如果薄膜太薄，电子自旋可能会自行调整方向，这将导致传感器失效。研究人员发现厚度的最佳点是0.9纳米，大约是四五个原子的厚度。

研究人员认为，该设备可能会有广泛的应用。对医生有帮助的一个例子是磁免疫分析法，一种利用磁性在液体样本中寻找病原体的技术。

“因为这个装置非常小，我们可以在一个芯片上放置数千甚至数百万个传感器，”张说。这种芯片可以在一个样本中同时测试许多不同的东西。这将使测试更容易，更便宜。”

另一项应用可能会作为国家科学基金支持的肖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可以对量子材料产生的磁场拍摄高清图像的磁性摄像机。如此详细的磁剖面将有助于研究人员更好地了解这些材料的性质。

“就像普通相机一样，我们希望我们的磁性相机有尽可能多的像素，”肖说。“相机中的每个磁像素都是一个单独的磁传感器。传感器需要很小，不能消耗太多能量，所以这种新传感器可以用于我们的相机。”

这项研究由美国国家科学基金会(ama -1936221)资助。