- 新型磁場傳感器能檢測微弱磁場，適用於潛艇探測及生物醫療。
- 該傳感器利用霍爾效應原理，能有效區分信號與內部噪聲。
- 團隊設計的合成鐵磁體可抑制不必要的波動，提升靈敏度。
- 此技術可應用於汽車、生物醫療及高分辨率磁性顯微鏡等領域。
中國科學家研發出一種超敏感、低噪聲的磁場傳感器，能夠檢測極其微弱的磁場。理論上，這種新型傳感器可用於潛艇探測或生物醫療設備。該傳感器利用了一種稱為霍爾效應的原理，研發團隊聲稱這可以更好地區分微弱的磁信號與其自身的“內部噪聲”。有趣的是，該傳感器體積小巧緊湊，意味著它可以集成於像智能手錶這樣的小型電子產品中。這種類型的傳感器通過檢測當電流通過磁場時產生的微小變化來工作，電子的任何偏轉都會顯示為電壓的微小、幾乎不可察覺的變化。
因此，磁場越強，電壓的變化就越大。類似的霍爾效應傳感器因其體積小、成本低、固態且易於集成到晶片上而備受青睞。根據《南華早報》的報導，這種新的磁場傳感器理論上可以在距離半公里（約 1,640 英尺）外檢測到鋼殼潛艇的微弱磁信號。
新型傳感器的技術挑戰
新型的降噪霍爾效應傳感器面臨的挑戰是，當其靈敏度過高時，磁性材料本身開始產生波動，這些波動看起來像是真實信號。換句話説，當提高增益時，噪聲也隨之增加。為瞭解決這一問題，合肥物質科學研究院和寧波材料技術與工程研究所的聯合團隊利用了他們所謂的“自旋結構動力學”。要理解這一點，重要的是要概念化磁性材料內部的發生過程。很少有磁化材料在極性上是均勻的。更常見的是，它們由不同的磁化區域和模式組成，這些區域在三維空間中有著邊界和其他結構。
更重要的是，這些結構經常隨時間變化。可以將其比作一片隨風搖曳的長草，每根草葉代表電子自旋，大片朝著相同方向傾斜的草代表一個域。當風吹過時，草地上會產生波紋，在這個比喻中，波紋代表著磁性質的變化。在實際的磁性材料中，這些微觀變化會導致所謂的磁噪聲。
合成鐵磁體的設計優勢
瞭解了這一點，團隊發現這些磁性質進化得越快，傳感器的低頻噪聲就能越低。為此，他們設計了一種多層磁性材料（稱為合成鐵磁體），其自旋結構特別快速地運動。團隊解釋説，這使得它們能夠在對外部磁場保持強烈的霍爾響應的同時，大幅度抑制不必要的波動。根據團隊的報告，最終的傳感器其活躍區域僅為 20 乘 20 微米（約為人類皮膚細胞的大小），並在 1 Hz 時達到了約 15.7 納 Tesla/√Hz 的檢測能力。
團隊報告稱，這幾乎是過去可比的鐵磁霍爾傳感器的十倍改善。雖然報導稱這理論上可用於檢測附近的潛艇，但團隊本身更為謹慎，表示這可應用於汽車、生物醫療和磁性顯微鏡等領域。例如，它可以用於極其緊湊的心臟磁影像、腦場測量、實驗室芯片生物傳感器以及高分辨率磁性顯微鏡等應用。作者們還認為，底層的噪聲關係應該適用於其他磁性材料，他們對於更快的自旋動力學有信心，認為這可能使噪聲進一步降低。
潛艇探測技術的潛在影響
這種新型超靈敏磁場傳感器的研發，可能對潛艇探測技術帶來重大影響。隨著潛艇技術的進步，傳統的探測方法面臨挑戰，而這種新技術能在更遠距離內檢測潛艇的微弱信號，提升海洋安全與防衛能力。此外，這項技術的應用範圍廣泛，涵蓋生物醫療及汽車等領域，顯示出其潛在的商業價值和社會意義。