Un equipo de físicos de la Universidad de Brown ha desarrollado un nuevo tipo de compacto, magnetómetro ultrasensible. El nuevo dispositivo podría ser útil en una variedad de aplicaciones que involucren campos magnéticos débiles, dicen los investigadores.

"Casi todo lo que nos rodea genera un campo magnético, desde nuestros dispositivos electrónicos hasta nuestros corazones palpitantes, y podemos usar esos campos para obtener información sobre todos estos sistemas, "dijo Gang Xiao, presidente del Departamento de Física de Brown y autor principal de un artículo que describe el nuevo dispositivo. "Hemos descubierto una clase de sensores que son ultrasensibles, pero también son pequeños, económico de fabricar y no consume mucha energía. Creemos que podría haber muchas aplicaciones potenciales para estos nuevos sensores ".

El nuevo dispositivo se detalla en un artículo publicado en Letras de física aplicada . El estudiante graduado de Brown, Yiou Zhang, y el investigador postdoctoral Kang Wang, fueron los autores principales de la investigación.

Una forma tradicional de detectar campos magnéticos es a través de lo que se conoce como efecto Hall. Cuando un material conductor que transporta corriente entra en contacto con un campo magnético, los electrones en esa corriente se desvían en una dirección perpendicular a su flujo. Eso crea un pequeño voltaje perpendicular, que puede ser utilizado por sensores Hall para detectar la presencia de campos magnéticos.

El nuevo dispositivo utiliza un primo del efecto Hall, conocido como efecto Hall anómalo (AHE), que surge en materiales ferromagnéticos. Mientras que el efecto Hall surge debido a la carga de electrones, el AHE surge del espín del electrón, el minúsculo momento magnético de cada electrón. El efecto hace que los electrones con diferentes espines se dispersen en diferentes direcciones, lo que da lugar a un voltaje pequeño pero detectable.

El nuevo dispositivo utiliza una película ferromagnética ultrafina hecha de cobalto, átomos de hierro y boro. Los espines de los electrones prefieren alinearse en el plano de la película, una propiedad llamada anisotropía en el plano. Después de que la película se trata en un horno de alta temperatura y bajo un fuerte campo magnético, los espines de los electrones desarrollan una tendencia a orientarse perpendicularmente a la película con lo que se conoce como anisotropía perpendicular. Cuando estas dos anisotropías tienen la misma fuerza, Los espines de electrones pueden reorientarse fácilmente si el material entra en contacto con un campo magnético externo. Esa reorientación de los espines de los electrones es detectable a través del voltaje AHE.

No se necesita un campo magnético fuerte para cambiar los giros de la película, lo que hace que el dispositivo sea bastante sensible. De hecho, es hasta 20 veces más sensible que los sensores de efecto Hall tradicionales, dicen los investigadores.

La clave para que el dispositivo funcione es el grosor de la película de cobalto-hierro-boro. Una película que es demasiado gruesa requiere campos magnéticos más fuertes para reorientar los espines de los electrones, lo que disminuye la sensibilidad. Si la película es demasiado fina, los espines de electrones podrían reorientarse por sí mismos, lo que haría que el sensor fallara. Los investigadores encontraron que el punto óptimo para el grosor era de 0,9 nanómetros, un espesor de unos cuatro o cinco átomos.

Los investigadores creen que el dispositivo podría tener aplicaciones generalizadas. Un ejemplo que podría ser útil para los médicos es el inmunoensayo magnético, una técnica que utiliza el magnetismo para buscar patógenos en muestras de fluidos.

"Como el dispositivo es muy pequeño, podemos poner miles o incluso millones de sensores en un chip, "Dijo Zhang." Ese chip podría probar muchas cosas diferentes al mismo tiempo en una sola muestra. Eso haría que las pruebas fueran más fáciles y menos costosas ".

Otra aplicación podría ser parte de un proyecto en curso en el laboratorio de Xiao con el apoyo de la National Science Foundation. Xiao y sus colegas están desarrollando una cámara magnética que puede generar imágenes de alta definición de campos magnéticos producidos por materiales cuánticos. Un perfil magnético tan detallado ayudaría a los investigadores a comprender mejor las propiedades de estos materiales.

"Al igual que una cámara normal, queremos que nuestra cámara magnética tenga tantos píxeles como sea posible, "Dijo Xiao." Cada píxel magnético de nuestra cámara es un sensor magnético individual. Los sensores deben ser pequeños y no pueden consumir demasiada energía, por lo que este nuevo sensor podría ser útil en nuestra cámara ".