中国の科学者たちは、極めて微弱な磁場を検出できる超敏感で低ノイズの磁場センサーを開発しました。理論的には、この新しいセンサーは潜水艦の探知や生物医療機器に使用できる可能性があります。このセンサーはホール効果と呼ばれる原理を利用しており、研究チームはこれにより微弱な磁気信号とその内部ノイズをより良く区別できると主張しています。興味深いことに、このセンサーは小型でコンパクトなため、スマートウォッチのような小型電子機器に統合することが可能です。このタイプのセンサーは、電流が磁場を通過する際に生じる微小な変化を検出することで機能し、電子の偏向は電圧の微小でほとんど検出不可能な変化として表示されます。
したがって、磁場が強いほど電圧の変化は大きくなります。同様のホール効果センサーは、その小型、低コスト、固体であり、チップに統合しやすいため、非常に人気があります。『南華早報』の報道によれば、この新しい磁場センサーは理論的に半キロメートル（約1,640フィート）離れた場所から鋼鉄製の潜水艦の微弱な磁気信号を検出できるとされています。
新型のノイズ低減ホール効果センサーが直面する課題は、感度が高すぎると磁性材料自体が揺らぎ始め、これらの揺らぎが実際の信号のように見えることです。言い換えれば、増幅を高めるとノイズも増加します。この問題を解決するために、合肥物質科学研究院と寧波材料技術と工学研究所の共同チームは、彼らが「スピン構造ダイナミクス」と呼ぶものを利用しました。これを理解するためには、磁性材料内部で起こるプロセスを概念化することが重要です。極性が均一な磁化材料はほとんど存在せず、より一般的には、異なる磁化領域とパターンで構成されており、これらの領域は三次元空間で境界や他の構造を持っています。
さらに重要なのは、これらの構造が時間とともに変化することです。これは風に揺れる長い草のように例えることができ、各草の葉は電子スピンを表し、大きな塊が同じ方向に傾いている草は一つのドメインを表します。風が吹くと、草原に波紋が生じ、この比喩において波紋は磁性質の変化を表します。実際の磁性材料では、これらの微視的な変化がいわゆる磁気ノイズを引き起こします。
新型磁場センサーの多様な応用可能性
この点を理解したチームは、これらの磁性質が進化する速度が速いほど、センサーの低周波ノイズが低くなることを発見しました。そのため、彼らは特にスピン構造が迅速に動く多層磁性材料（合成フェリ磁体と呼ばれる）を設計しました。チームは、これにより外部磁場に対して強いホール応答を維持しながら、不必要な揺らぎを大幅に抑制できると説明しています。チームの報告によれば、最終的なセンサーの活性領域はわずか20×20マイクロメートル（約人間の皮膚細胞の大きさ）で、1Hzで約15.7ナノテスラ/√Hzの検出能力を達成しました。
チームは、これは過去の比較可能なフェリ磁性ホールセンサーの約10倍の改善であると報告しています。報道によれば、これは理論的に近くの潜水艦を検出するために使用できるとされていますが、チーム自体はより慎重であり、自動車、生物医療、磁気顕微鏡などの分野に応用できると述べています。例えば、極めてコンパクトな心臓磁気画像、脳場測定、ラボチップ生物センサー、高解像度磁気顕微鏡などの応用に使用できる可能性があります。著者たちは、基礎的なノイズの関係が他の磁性材料にも適用できると考えており、より迅速なスピンダイナミクスがノイズをさらに低下させる可能性があると信じています。