Подводные лодки стараются скрыться от сонаров и других средств обнаружения, но полностью избавиться от магнитного следа стального корпуса невозможно. Китайские учёные разработали миниатюрный магнитный сенсор, чувствительность которого теоретически позволяет заметить такой след с расстояния около 500 метров. Размер чувствительной области устройства составляет всего 20 × 20 микрометров.
Разработку создали специалисты Института физики сильных магнитных полей в Хэфэе совместно с Нинбоским институтом материаловедения и инженерии Китайской академии наук и Восточным технологическим институтом. Результаты исследования опубликовали в журнале Physical Review Letters.
Новый датчик работает на аномальном эффекте Холла. При воздействии магнитного поля внутри чувствительного материала возникает небольшое электрическое напряжение, по которому можно определить силу поля. Подобные магнитные датчики широко применяют в электронике, автомобилях, промышленном оборудовании и измерительных приборах.
Главная проблема появляется при попытке повысить чувствительность. Вместе с полезным сигналом обычно растёт низкочастотный шум, поэтому слабые магнитные поля начинают теряться среди собственных помех датчика. Китайские исследователи связали такой шум с движением так называемых спиновых текстур, микроскопических магнитных структур внутри материала. Расчёты показали, что ускорение их динамики позволяет уменьшить шум без потери чувствительности.
Для проверки идеи учёные создали искусственную ферримагнитную структуру и подобрали её магнитные свойства так, чтобы спиновые текстуры двигались быстрее. Получившийся сенсор достиг чувствительности 15,7 нТ/√Гц на частоте 1 Гц. По данным авторов работы, результат почти на порядок превосходит показатели аналогичных датчиков на основе обычных ферромагнитных материалов.
Самая эффектная потенциальная область применения связана с поиском подводных лодок. Большой стальной корпус искажает естественное магнитное поле Земли, поэтому военные давно используют детекторы магнитных аномалий для поиска субмарин. По оценке South China Morning Post, возможностей китайского сенсора теоретически может хватить для регистрации магнитного следа стальной подлодки примерно с 500 метров. Речь пока не идёт о готовом детекторе подводных лодок. Авторы исследования подобных морских испытаний не проводили, а опубликованная работа посвящена характеристикам самого магнитного сенсора.
Миниатюрные размеры делают разработку интересной далеко не только для военных. Китайская академия наук называет среди возможных применений регистрацию очень слабых биомагнитных сигналов и магнитную микроскопию высокого разрешения. Такие датчики в перспективе пригодятся для медицинской диагностики, промышленного контроля и компактной электроники, где нынешним магнитометрам мешают размеры, энергопотребление или собственный шум.
Исследование показывает более фундаментальный результат. Учёные нашли способ обойти ограничение, которое десятилетиями мешало одновременно уменьшать шум и повышать чувствительность компактных магнитных датчиков. Если технологию удастся перенести из лаборатории в серийные устройства, сверхслабые магнитные поля смогут измерять сенсоры размером в десятки микрометров, а не только крупные и сложные магнитометры.
