Идеально подходит для приложений «установил-и-забыл»
Спинтронная пленка чувствует магнитные поля
Новый тип датчика магнитного поля разработан физиками в Австралии, Германии и США. Датчик легко сделать и работает он с высокой точностью. Устройство может обнаруживать магнитные поля 1-340 мТл, и, хотя это не самый чувствительный датчик в этом диапазоне, его большой плюс в том, что его не нужно охлаждать до ультрахолодных температур и его не надо калибровать.
Датчик является детищем группы исследователей во главе с Кристофом Беме (Christoph Boehme) из Университета штата Юта, вместе с коллегами из университетов Сиднея и Регенсбурга. По своей сути устройство представляет собой тонкий слой органического полупроводника между двумя металлическими контактами. При подаче напряжения на контакты, электроны и дырки активизируются в полупроводнике. Будучи заряженными частицами, электроны и дырки вызывают небольшую местную электрическую поляризацию полупроводника, при их прохождении через него.
Такое сочетание частицы и поляризации называется "полярон"; когда поляроны дырочный и электронный взаимодействуют, они могут распадаться, чтобы создать "экситон" - связанное состояние электрона и дырки. Оказывается, сопротивление полупроводника является функцией интенсивности взаимодействия дырочных и электронных поляронов, которая, в свою очередь, зависит от относительной ориентации спинов электронов и дырок.
Ключ к разгадке принципа работы датчика заключается в том, что приложение внешнего магнитного поля создает энергетический зазор между спинами, направленными вдоль и против поля. Тогда, если радиочастотный (РЧ) сигнал с точно такой энергией, как величина энергетического зазора направить на пленку, то он перевернет спины вверх или вниз, вызывая резкое изменение сопротивления полупроводника. Эта резонансная энергия является линейной функцией напряженности магнитного поля, и поле, таким образом, можно измерять изменением радиочастотной энергии до наступления резонанса.
Медленное измерение
Один из недостатков устройства, связан с необходимостью сканирования радиочастот, а это может занять несколько секунд при измерении магнитного поля. Беме сказал для
physicsworld.com
, что это не является проблемой для приложений, где пользователь уже имеет приблизительное представление о величине напряженности поля, например при зондировании магнитного поля Земли. Но когда скорость имеет существенное значение, исследователи придумали два способа улучшения датчика.
Можно было бы применять РЧ импульсы, которые включают полный диапазон частот. С другой стороны, можно воспользоваться органическим датчиком магнитного сопротивления, который работает гораздо быстрее, но нуждается в постоянной калибровке. Эту проблему можно обойти с помощью нового датчика, который сам по себе не нуждается в калибровке, потому что его показания связаны с внутренним свойством электрона - гиромагнитным отношением.
Пока устройство работает в диапазоне 1-340 мТл, но Беме говорит, что верхний предел может быть увеличен, просто используя более высокую энергию радиосигнала. Для очень сильных полей, однако, необходим терагерцовый сигнал, а его трудно создать. Что касается расширения спектра в меньшую сторону (менее 1 мТл), то это тоже можно сделать, применяя небольшое смещение поля приблизительно на 1 мТл, утверждает Беме. Предел чувствительности устройства находится в диапазоне малых нанотесла - предел, который связан со случайными магнитными полями, создаваемыми ядрами водорода в органических полупроводниках.
Лучшее из двух миров
Янсен (J T Janssen) из Национальной физической лаборатории Великобритании, говорит, что новое устройство прекрасно вписывается между более точным сверхпроводящим интерференционным устройством (SQUID), которое требует для своей работы жидкий гелий, и менее точным датчиком Холла, который является надежным и стоимость его изготовления всего несколько пенсов. «Этот новый органический датчик, кажется, самый лучший из обоих миров: он достаточно чувствителен, он точен и дешев», говорит Янсен.
Он добавляет, что устройство особенно подходит для приложений типа «установил-и-забыл», в которых нет возможности для обслуживания или калибровки датчиков после установки. Например, датчики на атомных электростанциях, ветряных турбинах и спутниках.