Европейские ученые разработали высокочувствительный датчик для измерения магнитных полей на основе сверхпроводящего преобразователя магнитного потока в поле и малошумящего магниторезистивного датчика.

Измерения магнитных полей в диапазоне фемтотесла (фТл, 10^-15 Тл) важны для таких применений, как магнитометрия, квантовые вычисления, ЯМР в твердых телах, магнитоэнцефаллография. В совместной работе французских (SPEC/DRECAM, Сакле), финских (Elekta Neuromag, Хельсинки) и ирландских (Trinity College, Дублин) ученых предложен и реализован датчик фемтотесловых магнитных полей на основе сверхпроводящего преобразователя магнитного потока в поле и малошумящего магниторезистивного датчика на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) Неинвазивное исследование активности мозга проводится магнитно- резонансным и магнитно-энцефаллографическим методами. В первом методе фиксируется время релаксации ядер, во втором - регистрируются магнитные поля (порядка нескольких фемтотесла в диапазоне частот 3-30 Гц, связанных с активностью нейронов). Для регистрации таких слабых полей используют магнитные датчики на основе сквидов . Чувствительность лучших сквидов из низкотемпературных сверхпроводников - 1 фТл/Гц^1/2 (при диаметре петли 1.5 см² и рабочей температуре 4.2 К), а из высокотемпературных - 30 фТл/Гц^1/2 (Т = 77 К). Для регистрации магнитных полей можно использовать и магниторезистивные датчики (например, на основе эффекта гигантского магнитосопротивления - ГМС), их чувствительность существенно ниже, чем у сквидов, но не зависит от размеров. Чувствительность сквида пропорциональна его площади. Сквид чувствует поток, а магниторезистивный датчик - поле. Для размеров менее 10 мкм² магниторезистивный датчик имеет преимущества.

В работе интернациональной группы ученых предложена и реализована новая конструкция датчика, объединяющая сверхпроводящий преобразователь магнитного потока в поле и магниторезистивный датчик. Преобразователь изготовлен из сверхпроводящей петли, содержащей сужение микронных размеров. Выше или ниже сужения устанавливают магниторезистивный датчик. Магниторезистивный датчик на основе ГМС представляет собой многослойную пленку из магнитотвердого (IrMn, MnPt)и магнитомягкого (NiFe) материалов, разделенных тонким немагнитным металлическим слоем. Вектор намагниченности мягкого слоя легко поворачивается под действием поля в плоскости пленки. Сопротивление всей пачки определяется углом между осями намагниченностями слоев. Для датчика микронных размеров изменение сопротивления может достигать 5 % на мТл. Сопротивление пачки размерами 5 мкм составляет 270 Ом. Такой гибридный датчик измеряет приложенное поле, усиленное в нескольких тысяч раз, в зависимости от геометрии и размеров прибора. При приложении внешнего низкочастотного поля перпендикулярно к сверхпроводящей петле преобразователя в ней возникает сверхток. Благодаря его высокой плотности в области сужения, в этой области генерируется большое магнитное поле, которое детектируются МР датчиком, чувствительным к полям в плоскости пленок. Для увеличения эффекта локального усиления магнитного поля необходимо использовать петлю с большим внешним диаметром, а сужение делать минимально возможным. Грубая оценка усиления определяется отношением радиуса петли к ширине сужения. Потенциальную чувствительность датчика нового типа можно оценить следующим образом. При размере сужении до 1 мкм и петле диаметром 3 см усиление магнитного поля составляет 7500. При этом для ВТСП петли ток составит 5 мА (при 77 К). Сопротивление магниторезистивного датчика на основе ГМС при сужении 1мкм составляет 1500 Ом. Это дает чувствительность 1 фТл/Гц^1/2. В варианте магниторезистивного датчика на основе эффекта туннельного магнитосопротивления, в котором тонкий металлический слой в многослойной магнитной структуре заменен слоем изолятора, можно достичь чувствительности 0.2 фТл/Гц^1/2. Наконец, можно использовать магниторезистивный датчик на основе эффекта туннельного магнитосопротивления с полуметаллическими (например, манганиты) электродами, имеющих очень низкий шум. В этом случае для датчика теоретически достижима чувствительность 0.01 фТл/Гц^1/2.

Источник информации - заметка В.Скомаровского в бюллетене ПерсТ, выпуск 13 за 2004 г.