Сотрудники ФИАН разработали методику создания датчиков сверхслабых магнитных полей. Функциональной основой таких датчиков могут быть магнитные структуры, представляющие собой многослойные системы из чередующихся наноостровковых слоев различных магнетиков. Такие системы чрезвычайно чувствительны к воздействиям сверхслабых магнитных полей и способны детектировать поля величиной до 10^-6 эрстед.

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.