Fizycy z Uniwersytetu Utah opracowali nowy rodzaj sensora magnetycznego, który znaleźć może zastosowanie nie tylko w zaawansowanych badaniach naukowych, ale i w życiu codziennym. Jest to kolejne osiągnięcie z dynamicznie się rozwijającej dziedziny elektroniki, zwanej spinelektroniką.
fot. Akhilesh (stockfreeimages.com)
Jak twierdzą w swoim raporcie Christoph Boehme, Will Baker oraz reszta badaczy, którzy brali udział w tym projekcie, ich czujnik jest odporny na ciepło, nie degraduje, pracuje w temperaturze pokojowej i nie wymaga kalibracji. Elementem pomiarowym jest w tym wypadku… odrobina farby – półprzewodnikowy polimer o nazwie MEH-PPV (polifenylenowinylen). Według twórców rozwiązania kropla tej substancji wykorzystywana w sensorze kosztuje nie więcej niż ta sama ilość powszechnie stosowanych farb. Kroplę zabarwionej na pomarańczowo farby o wymiarach około 5mm x 5mm (zaś właściwa część odpowiadająca za pomiar to tylko 1mm x 1mm) umieszcza się na szklanym podłożu, a całość na drukowanej płytce (20mm x 30 mm).
Technologia Boehme’a i spółki to pierwsze poważne osiągnięcie powołanego przez Uniwersytet Utah we wrześniu ubiegłego roku sześcioletniego projektu badawczego Materials Research Science and Engineering Center, finansowanego przez National Science Foundation. Badania nad sensorem magnetycznym wspierały także amerykański Departament Energii, David and Lucile Packard Foundation oraz Australian Research Council. Badacze przewidują, że ich wynalazek zdobędzie duże zainteresowanie, jako że pomiary pól magnetycznych są kluczowym elementem wielu naukowych i technologicznych zastosowań. Zwykły zjadacz chleba może nie zdawać sobie z tego sprawy, jednak czujniki magnetyczne są obecnie wykorzystywane w telefonach, twardych dyskach, systemach nawigacyjnych oraz w całym szeregu sprzętów elektronicznych.
Nowy sensor ma stanowić ważną alternatywę dla dotychczasowych rozwiązań, ponieważ jest bardziej stabilny i dokładny, a przy tym bardzo tani. Boehme przewiduje, że na rynek może on trafić w ciągu trzech lat (lub wcześniej, jeśli tylko uda się wyeliminować jego podstawową wadę – stosunkowo długi czas oczekiwania na wynik pomiaru).
O elektronice spinowej
Aby wyjaśnić zasadę działania sensora opracowanego przez Boehme’a i jego współpracowników, warto najpierw wspomnieć kilka słów o tym, czym jest właściwie spinelektronika i jakie zjawiska fizyczne leżą u jej podstaw.
Elektronika spinowa to dział elektroniki, który operuje nie tylko na samych ładunkach elektrycznych jąder atomowych, ale również na tzw. spinach cząstek subatomowych. Spin to wielkość opisująca każdą cząstkę elementarną (a także struktury stanowiące konglomeraty cząstek elementarnych – wówczas całościowy spin jest sumą spinów składowych), definiowana jako moment własny pędu cząstki w układzie, w którym cząstka ta się nie porusza. Sprawia on, że cząstka zachowuje się jak mały magnes skierowany w górę (wówczas przyjmujemy wartość 1) lub w dół (wartość 0).
Sensor Boehme’a składa się z ujemnie naładowanych elektronów oraz dodatnio naładowanych „dziur”, których spiny ustawiają się względem siebie równolegle lub antyrównolegle, w zależności od tego czy pole magnetyczne jest nieobecne, czy obecne. Zjawisko to zachodzi jednak tylko w przypadku gdy na sensor działają fale radiowe o odpowiedniej częstotliwości. W tym celu do czujnika doprowadza się prąd – styki elektryczne zachowują się jak małe anteny, emitujące fale radiowe, których częstotliwością można manipulować. Przy określonej częstotliwości w obecności pola magnetycznego dochodzi do odwrócenia spinów. Zmiany te poddaje się konwersji do prądu elektrycznego, który można łatwo zmierzyć, i na tej podstawie ocenia się siłę pola magnetycznego.
Zakres działania
Nowe narzędzie jest w stanie zmierzyć pola magnetyczne od 1000 razy słabszych niż pole magnetyczne Ziemi do rzędu 10 tys. silniejszych. Odpowiada to zakresowi średnich oraz silnych pól magnetycznych. Nie wykrywa natomiast pól magnetycznych słabych, które w dzisiejszych czasach zmierzyć można jedynie za pomocą tzw. detektorów SQUID.
Stosowane obecnie narzędzia do pomiaru silnych pól magnetycznych sprawdzają się dobrze, jednak są bardzo drogie i masywne. Przykładem może być aparatura do obrazowania medycznego wykorzystująca rezonans magnetyczny, która wymaga na ogół specjalnego przystosowania pomieszczenia w którym się znajduje, ponieważ niewystarczająco wytrzymały strop może nie utrzymać jej ciężaru. Niski koszt i niewielkie wymiary nowych sensorów przemawiają więc na tym polu zdecydowanie na ich korzyść. Boehme twierdzi jednak, że wynalazek jego zespołu będzie najbardziej przydatny przy pomiarach średnich pól magnetycznych, w którym to zakresie praktycznie żadne z obecnie dostępnych narzędzi nie jest skuteczne.
Dodatkową niewątpliwą zaletą nowego czujnika jest trwałość – nawet kiedy jest już stary i kruchy, jeśli tylko jest w stanie przewodzić prąd, jego działanie pozostaje niezaburzone.
Wspomnianą największą wadę nowego sensora (nazywanego OMRM – ang. organic magnetic resonance magnetometer) czyli jego powolność, Boehme ma nadzieję wyeliminować poprzez kombinację tego narzędzia z innym, podobnym, o nazwie OMAR (ang. organic magnetoresistant sensor). OMAR jest sto razy szybszy, jednak wymaga kalibracji, jest mniej dokładny, wrażliwy na zmiany temperatury i degradację materiału, a także wykazuje węższy zakres stosowania. Być może połączenie tych dwóch czujników pozwoli optymalnie wykorzystać ich zalety, pozbywając się wad.
Inny przewidziany kierunek badań to sprawdzenie, jak bardzo można jeszcze zminiaturyzować 1-milimetrową część pomiarową sensora. Boehme przewiduje, że wciąż możliwe jest jego zmniejszenie około milion razy.
Źródło: University of Utah
