Китайские исследователи из Института физических наук Хэфэя и Нинбоского института материаловедения создали сверхчувствительный магниторезистивный датчик на основе эффекта Холла с рекордно низким уровнем собственных шумов, что позволяет ему регистрировать поля напряжённостью около 15,7 нанотесла на квадратный герц при частоте 1 Гц. Активная область сенсора составляет всего 20 на 20 микрометров — примерно размер человеческой кожной клетки, — что почти на порядок превосходит чувствительность предыдущих ферромагнитных датчиков Холла аналогичного класса.
Теоретически устройство способно обнаруживать магнитный сигнал стального корпуса подводной лодки с расстояния до полукилометра, хотя авторы работы акцентируют более мирные применения: компактную магнитную кардиографию, измерение полей головного мозга, биосенсоры в формате «лаборатория на чипе» и высокоразрешающую магнитную микроскопию.
Проблема любых высокочувствительных магнитных датчиков заключается в том, что при усилении сигнала сам магнитный материал начинает генерировать флуктуации, маскирующие полезный сигнал, — по аналогии с шумом при увеличении громкости аудиосистемы. Чтобы преодолеть это ограничение, команда использовала явление, которое они называют динамикой спиновой текстуры.
В ферромагнетиках намагниченность редко бывает однородной: внутри материала существуют домены, границы и другие трёхмерные структуры, которые постоянно меняются со временем — подобно тому, как поле высокой травы колышется порывами ветра, где отдельные травинки символизируют спины электронов, а крупные участки с одинаковым наклоном — магнитные домены.
Авторы работы обнаружили, что чем быстрее эволюционируют эти магнитные текстуры, тем ниже становится низкочастотный шум датчика. На основе этого принципа они сконструировали многослойный магнитный материал — синтетический ферримагнит — со специально ускоренной динамикой спиновых конфигураций. Такая архитектура позволяет сохранять сильный холловский отклик на внешнее магнитное поле, одновременно подавляя нежелательные внутренние флуктуации.
Важно, что найденная закономерность, по мнению исследователей, применима и к другим магнитным материалам, и они уверены, что дальнейшее ускорение спиновой динамики может снизить шум ещё значительнее. Хотя сообщения о возможном обнаружении субмарин привлекли внимание прессы, сами учёные подчёркивают, что их разработка в первую очередь предназначена для медицинских приборов, автомобильных сенсорных систем и лабораторной диагностики.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Applied.
