Une équipe de physiciens de l'Université Brown a développé un nouveau type de compact, magnétomètre ultra-sensible. Le nouveau dispositif pourrait être utile dans une variété d'applications impliquant des champs magnétiques faibles, disent les chercheurs.

"Presque tout ce qui nous entoure génère un champ magnétique, de nos appareils électroniques à nos cœurs qui battent, et nous pouvons utiliser ces champs pour obtenir des informations sur tous ces systèmes, " dit Gang Xiao, président du département de physique Brown et auteur principal d'un article décrivant le nouvel appareil. "Nous avons découvert une classe de capteurs ultra-sensibles, mais sont aussi petits, peu coûteux à fabriquer et ne consomme pas beaucoup d'énergie. Nous pensons qu'il pourrait y avoir de nombreuses applications potentielles pour ces nouveaux capteurs."

Le nouveau dispositif est détaillé dans un article publié dans Lettres de physique appliquée . L'étudiant diplômé de Brown Yiou Zhang et le chercheur postdoctoral Kang Wang étaient les principaux auteurs de la recherche.

Une façon traditionnelle de détecter les champs magnétiques consiste à utiliser ce que l'on appelle l'effet Hall. Lorsqu'un matériau conducteur transportant du courant entre en contact avec un champ magnétique, les électrons de ce courant sont déviés dans une direction perpendiculaire à leur flux. Cela crée une petite tension perpendiculaire, qui peut être utilisé par des capteurs à effet Hall pour détecter la présence de champs magnétiques.

Le nouveau dispositif utilise un cousin de l'effet Hall, connu sous le nom d'effet Hall anormal (AHE), qui se produit dans les matériaux ferromagnétiques. Alors que l'effet Hall est dû à la charge des électrons, l'AHE provient du spin des électrons, le petit moment magnétique de chaque électron. L'effet provoque la dispersion des électrons avec des spins différents dans différentes directions, ce qui donne lieu à une tension faible mais détectable.

Le nouvel appareil utilise un film ferromagnétique ultra-mince en cobalt, atomes de fer et de bore. Les spins des électrons préfèrent être alignés dans le plan du film, une propriété appelée anisotropie dans le plan. Après le traitement du film dans un four à haute température et sous un fort champ magnétique, les spins des électrons ont tendance à s'orienter perpendiculairement au film avec ce qu'on appelle l'anisotropie perpendiculaire. Lorsque ces deux anisotropies ont une force égale, les spins des électrons peuvent facilement se réorienter si le matériau entre en contact avec un champ magnétique externe. Cette réorientation des spins électroniques est détectable par la tension AHE.

Il ne faut pas un champ magnétique puissant pour inverser les rotations du film, ce qui rend l'appareil assez sensible. En réalité, il est jusqu'à 20 fois plus sensible que les capteurs à effet Hall traditionnels, disent les chercheurs.

La clé pour faire fonctionner l'appareil est l'épaisseur du film cobalt-fer-bore. Un film trop épais nécessite des champs magnétiques plus forts pour réorienter les spins des électrons, ce qui diminue la sensibilité. Si le film est trop fin, les spins des électrons pourraient se réorienter d'eux-mêmes, ce qui entraînerait la défaillance du capteur. Les chercheurs ont découvert que le point idéal pour l'épaisseur était de 0,9 nanomètre, une épaisseur d'environ quatre ou cinq atomes.

Les chercheurs pensent que l'appareil pourrait avoir des applications étendues. Un exemple qui pourrait être utile aux médecins est le dosage immunologique magnétique, une technique qui utilise le magnétisme pour rechercher des agents pathogènes dans des échantillons de fluides.

"Parce que l'appareil est très petit, nous pouvons mettre des milliers voire des millions de capteurs sur une seule puce, " a déclaré Zhang. " Cette puce pourrait tester de nombreuses choses différentes à la fois dans un seul échantillon. Cela rendrait les tests plus faciles et moins coûteux. »

Une autre application pourrait faire partie d'un projet en cours dans le laboratoire de Xiao soutenu par la National Science Foundation. Xiao et ses collègues développent une caméra magnétique capable de produire des images haute définition des champs magnétiques produits par les matériaux quantiques. Un tel profil magnétique détaillé aiderait les chercheurs à mieux comprendre les propriétés de ces matériaux.

"Tout comme un appareil photo ordinaire, nous voulons que notre caméra magnétique ait le plus de pixels possible, " dit Xiao. " Chaque pixel magnétique de notre appareil photo est un capteur magnétique individuel. Les capteurs doivent être petits et ils ne peuvent pas consommer trop d'énergie, donc ce nouveau capteur pourrait être utile dans notre appareil photo."