Співробітники ФІАН розробили методику створення датчиків надслабких магнітних полів

Функціональною основою таких датчиків можуть бути магнітні структури, що являють собою багатошарові системи з чергуються наноостровковых шарів різних магнетиків. Такі системи надзвичайно чутливі до впливів надслабких магнітних полів і здатні детектувати поля величиною до десяти у мінус шостий ерстед.

Магнітні структури, про яких йде мова, складаються з декількох пар чергуються наноостровковых шарів, при цьому наноострівці різних верств виконані з магнітних матеріалів, які розрізняються, наприклад, по величині поля перемагнічування. Кожна така структура зверху і знизу захищена діелектричним шаром, але при цьому наноострова кожного шару можуть стикатися з тими, що лежать вище або нижче, і магнітно один з іншому взаємодіяти. Якщо на складену таким чином багатошарову наноструктуру впливати навіть слабким магнітним полем, то її електричний опір зміниться. Це явище називається магниторезестивным ефектом, на ньому і заснований пропонований принцип детектування магнітних полів.

«Ми по черзі напилюють спочатку один шар одного магнетика, потім другий шар іншого магнетика, потім знову першого і так далі. Головне – щоб ці магнетики відрізнялися один від одного деякими магнітними параметрами. Наприклад, у магнетизмі розрізняють магнитом’які матеріали, це ті, що перемагничиваются, тобто кардинальним чином змінюють напрямок намагніченості, в дуже слабких полях, порядку одиниць эрстедов, це, наприклад, пермалой. А є магнитожорсткі, наприклад, самарій-кобальт – для того, щоб його перемагнитить, потрібно докласти до 20 кЭрстед», – пояснює принцип виготовлення структур провідний науковий співробітник ФІАН, доктор фізико-математичних наук Федір Пудонин.

Такі магнітні плівки можуть детектувати поля величиною до 10-6 ерстеда. Для порівняння – магнітне поле Землі приблизно 0,5 ерстеда. Механізм настільки унікально високої чутливості в першу чергу визначається гігантської величиною магниторезестивного ефекту, але також істотну роль тут можуть грати виявлені в шарах специфічні вихори намагніченості.

Зазвичай вихори бувають в окремих великих частинках, скажімо, якщо взяти кілька сотень атомів і скласти з них диск. Цей диск з магнітного матеріалу веде себе не як звичайний магніт, у якого є північ і південь, тут намагніченість закручується вздовж диска у вигляді вихра, і магнітний потік виштовхується нагору в центрі диска.

Таким чином, центральна частина намагніченості – її називають кором – спрямована перпендикулярно до поверхні диска. Це напрямок микромагнетизма зараз активно вивчається і розвивається, наприклад, кор може стирчати вгору, а може вниз, і якщо позначити одне положення за одиницю, а друге – за нуль, то на цьому принципі можна створити логічний або запам’ятовуючий елемент. Для отримання таких вихрових систем в їх «класичному» варіанті використовуються досить складні літографічні методи. Для створення наноостровковых структур застосовується метод простіше – бездротовий катодне розпилення. Однак до цього вихори в розглянутих тут наноостровах помічені не були.

>«Наші острови дуже маленькі, і фактично таких вихорів бути не повинно. Але ми поспостерігали якусь особливість в наших системах, яку просто так пояснити не змогли. І припустили, що вихор у нас виникає не просто в окремій частині, а розподілений між острівцями. І виявилося, що теоретично це дійсно можливо», – каже Федір Пудонин.

Зараз фізики з Фіана досліджують можливість штучного наведення вихорів намагніченості та управління ними. Але сам факт екстремальної чутливості до магнітних полів вже може бути використаний. Потреба в датчиках слабких магнітних полів дуже велика – для пошуку корисних копалин в геології, для навігації (будь то море, космос або авіація), в астрофізиці, в медицині і біології.

“Головне, що такі наноструктури відносно прості у виготовленні, – коментує інший учасник проекту, старший науковий співробітник, кандидат фізико-математичних наук Анатолій Болтаев, – плюс можуть функціонувати в змінному магнітному полі і володіють високим питомим опором, тому не повинні перегріватися і споживати великої потужності.

Це величезні прикладні можливості. На першому місці, звичайно, медицина – магнитоэнцефалография, магніто-резонансна томографія, магнитогастрография, магнитокардиография. Також наші системи можуть бути використані в космосі, так як є радіаційно стійкими, і космічне випромінювання на їх властивості майже не вплине. Або, наприклад, датчики магнітних полів використовуються в орієнтації підводних човнів – можна відстежувати магнітний рельєф Землі і плисти за його напрямом. Варіантів використання дуже багато”.

В даний час в якості найбільш чутливих магнетометров активно використовуються сверпроводящие квантові інтерферометри – Сквід, які необхідно охолоджувати до рівня гелієвих або водневих температур. Так що заміна СКВИДов на пристрої схожої чутливості до магнітного поля, але не потребують особливих технологічних умов як при виготовленні, так і в роботі, була б дуже до речі.

Цікаво було б створення на основі таких наноструктур іграшок-конструкторів, аналогів neocube. Для довідки: Неокуб (англ. NeoCube) — іграшка-конструктор, що складається зазвичай з 216-ти однакових кулястих неодимових магнітів (сплав неодиму, заліза і бору).

Джерело АНІ ФІАН-Інформ

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *