Сотрудники из Института физических наук Хэфэя и Нинбоского института материаловедения в Китае разработали чрезвычайно чувствительный магниторезистивный сенсор, основанный на эффекте Холла. Этот датчик демонстрирует минимальный уровень собственных помех, позволяющий улавливать магнитные поля с интенсивностью приблизительно 15,7 нанотесла на квадратный герц при частоте в один Гц. Размеры активной зоны устройства составляют всего двадцать на двадцать микрометров – сопоставимы с размерами клеток кожи человека и значительно превосходят показатели предыдущих ферромагнитных датчиков Холла аналогичного типа.

По расчётам теоретиков, данное устройство потенциально может фиксировать магнитные колебания корпуса подводного судна на расстоянии до пятисот метров. Однако разработчики акцентируют внимание на более безобидных применениях: создании компактных магнитных систем для исследования сердца, измерении полей мозга, разработке биосенсоров в формате «лаборатория на чипе» и реализации высокоточной магнитной микроскопии.

Основная трудность при создании высокоточных магнитных сенсоров заключается в том, что увеличение чувствительности приводит к появлению собственных колебаний магнитного вещества, которые заглушают полезный сигнал. Это можно сравнить с возникновением помех при повышении громкости звукового оборудования. Для решения данной проблемы исследователи воспользовались эффектом, который они назвали динамикой спиновой структуры.

В ферромагнитных материалах намагниченность обычно не является равномерной; внутри структуры присутствуют домены, границы и другие пространственные образования, которые постоянно изменяются. Этот процесс можно сравнить с тем, как поле высокой травы раскачивается под воздействием ветра: отдельные стебли символизируют спины электронов, а большие участки с одинаковым наклоном – магнитные области.

В ходе исследования было установлено, что скорость изменения магнитных структур напрямую влияет на уровень низкочастотного шума сенсора – чем она выше, тем меньше шум. Используя этот подход, ученые разработали многослойный магнитный материал, представляющий собой синтетический ферримагнит с ускоренной динамикой спиновых состояний. Данная конструкция обеспечивает значительную реакцию на внешнее магнитное поле при одновременном снижении внутренних колебаний.

Ключевым моментом является то, что выявленная зависимость, по мнению авторов исследования, может быть применена и к другим видам магнитных материалов. Они выражают уверенность в том, что дальнейшее ускорение спиновой динамики способно уменьшить уровень шума ещё больше. Несмотря на освещение прессой возможности обнаружения подводных лодок, сами ученые подчеркивают, что их разработка преимущественно ориентирована на медицинское оборудование, автомобильные сенсорные системы и лабораторную диагностику.

Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Applied.