新型磁力計敏感度提升二十倍

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【大紀元2020年06月23日訊】(大紀元記者張妮編譯)美國布朗大學(Brown University)的科學家發明了一種體積微小、敏感度很高的磁力計。研究者稱在磁敏免疫分析、量子材料磁場高分辨率成像方面有很好的應用前景。

這項發明的主要研究者之一布朗大學物理系的肖剛(Gang Xiao,譯音)說:「我們身邊幾乎一切都在產生磁場,從電子設備到我們跳動的心臟。通過這些磁場我們可以得到這些系統的信息。我們發明了一種新型磁場感應器,敏感度很高、體積很小,製造成本不高、耗電量不大,有很多潛在用途。」

研究人員介紹說,傳統的磁力計通過霍爾效應感應磁場。當帶電導體與磁場接觸的時候,電子發生垂直偏轉產生垂直方向上的電壓,從而判斷磁場的存在。

新儀器則基於異常霍爾效應——在磁性材料中,不同自旋方向的電子向不同方向發散,產生微小的電壓。

新儀器的核心部件是一層由鈷、鐵和硼原子構成的超薄鐵磁膜。多數電子的自旋方向偏好與薄膜平行,稱為平面各項異性;當薄膜在強磁場高溫爐中處理過後,電子的自旋偏好變為與薄膜垂直,稱為垂直各項異性。在兩種特性強度平衡的情況下,如果出現外來磁場,電子容易改變它們的自旋方向。這種變化產生的電壓能被感應器偵測到。

研究者說,很微弱的磁場都能改變電子的自旋方向,所以這種感應器的敏感度可以達到傳統霍爾感應器的二十倍左右。

感應器的關鍵技術在於鈷鐵硼膜的厚度。太厚了需要較強的磁場才能觸發電子的變化,即降低了儀器的敏感度;太薄了電子不穩定,容易自發出現改變,導致儀器失靈。研究人員發現0.9納米的厚度最合適,相當於四五個原子的厚度。

研究組認為這種儀器在醫療領域,進行磁敏免疫分析,檢測液體樣品中病原體有很好的應用前景。

「因為這種感應器很小,我們可以把幾千個、幾萬個感應器放在一塊芯片上,這樣芯片一次可以檢測很多項目。這將讓檢測更容易、更經濟。」

另一個用途也是這個研究組一直在開發的磁感應相機,可以對量子材料的磁場進行高精度成像。這有助於研究人員更好的了解這些材料的特性。

「就像普通的相機,我們希望像素越多越好。這種相機上,每個磁感應器就相當於一個像素。感應器要很小,耗能小,因此這種新感應器很適合這項用途。」

這份研究近期發表在《應用物理學快報》(Applied Physics Letters)上。◇

責任編輯:朱涵儒

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