Сайт переехал physreal.com

Магнитные структуры, о которых идет речь, состоят из нескольких пар чередующихся наноостровковых слоев, при этом наноостровки разных слоев выполнены из магнитных материалов, которые различаются, например, по величине поля перемагничивания. Каждая такая структура сверху и снизу защищена диэлектрическим слоем, но при этом наноострова каждого слоя могут соприкасаться с теми, что лежат выше или ниже, и магнитно друг с другом взаимодействовать. Если на составленную таким образом многослойную наноструктуру воздействовать даже слабым магнитным полем, то ее электрическое сопротивление изменится. Это явление называется магниторезестивным эффектом, на нем и основан предлагаемый принцип детектирования магнитных полей.

«Мы поочередно напыляем сначала один слой одного магнетика, потом другой слой другого магнетика, потом опять первого и так далее. Главное – чтобы эти магнетики отличались друг от друга некоторыми магнитными параметрами. Например, в магнетизме различают магнитомягкие материалы, это те, что перемагничиваются, то есть кардинальным образом изменяют направление намагниченности, в очень слабых полях, порядка единиц эрстедов, это, например, пермаллой. А есть магнитожесткие, например, самарий-кобальт – для того, чтобы его перемагнитить, нужно приложить до 20 кЭрстед», – объясняет принцип изготовления структур ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Федор Пудонин.

Такие магнитные пленки могут детектировать поля величиной до 10^-6 эрстеда. Для сравнения – магнитное поле Земли примерно 0,5 эрстеда. Механизм столь уникально высокой чувствительности в первую очередь определяется гигантской величиной магниторезестивного эффекта, но также существенную роль здесь могут играть обнаруженные в слоях специфичные вихри намагниченности.

Обычно вихри бывают в отдельных крупных частицах, скажем, если взять несколько сотен атомов и составить из них диск. Этот диск из магнитного материала ведет себя не как обычный магнит, у которого есть север и юг, здесь намагниченность закручивается вдоль диска в виде вихря, и магнитный поток выталкивается вверх в центре диска.

Таким образом, центральная часть намагниченности – ее называют кором – направлена перпендикулярно к поверхности диска. Это направление микромагнетизма сейчас активно изучается и развивается, например, кор может торчать вверх, а может вниз, и если обозначить одно положение за единицу, а второе – за ноль, то на этом принципе можно создать логический или запоминающий элемент. Для получения таких вихревых систем в их «классическом» варианте используются довольно сложные литографические методы. Для создания наноостровковых структур применяется метод попроще – радиочастотное катодное распыление. Однако до этого вихри в рассматриваемых здесь наноостровах замечены не были.

>«Наши острова очень маленькие, и фактически таких вихрей быть не должно. Но мы пронаблюдали некую особенность в наших системах, которую просто так объяснить не смогли. И предположили, что вихрь у нас возникает не просто в отдельной частице, а распределен между островками. И оказалось, что теоретически это действительно возможно», – говорит Федор Пудонин.

Сейчас физики из ФИАНа исследуют возможность искусственного наведения вихрей намагниченности и управления ими. Но сам факт экстремальной чувствительности к магнитным полям уже может быть использован. Потребность в датчиках слабых магнитных полей очень большая – для поиска полезных ископаемых в геологии, для навигации (будь то море, космос или авиация), в астрофизике, в медицине и биологии.

"Главное, что такие наноструктуры относительно просты в изготовлении, – комментирует другой участник проекта, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Анатолий Болтаев, – плюс могут функционировать в переменном магнитном поле и обладают высоким удельным сопротивлением, поэтому не должны перегреваться и потреблять большой мощности.

Это огромные прикладные возможности. На первом месте, конечно, медицина – магнитоэнцефалография, магнито-резонансная томография, магнитогастрография, магнитокардиография. Также наши системы могут быть использованы в космосе, так как являются радиационно устойчивыми, и космическое излучение на их свойства почти не повлияет. Или, например, датчики магнитных полей используются в ориентации подводных лодок – можно отслеживать магнитный рельеф Земли и плыть по его направлению. Вариантов использования очень много".

В настоящее время в качестве наиболее чувствительных магнетометров активно используются сверпроводящие квантовые интерферометры – СКВИДы, которые необходимо охлаждать до уровня гелиевых или водородных температур. Так что замена СКВИДов на устройства схожей чувствительности к магнитному полю, но не требующих особых технологических условий как при изготовлении, так и в работе, пришлась бы очень кстати.

Было бы интересно создание на основе таких наноструктур игрушек-конструкторов, аналогов neocube. Для справки: Неокуб (англ. NeoCube) — игрушка-конструктор, состоящая обычно из 216-ти одинаковых шарообразных неодимовых магнитов (сплав неодима, железа и бора).

Источник  АНИ ФИАН Информ