Физики разработали «невидимые» сенсоры магнитного поля

Испанские физики разработали теоретический подход, позволяющий сделать магнитные сенсоры «невидимыми» для внешнего магнитного поля. За счет специальной оболочки такие сенсоры сами не искажают внешнего магнитного поля, но при этом не теряют свою чувствительность. В опубликованной в Applied Physics Letters работе ученые пишут, что пока при комнатной температуре такой подход не может быть реализован на практике из-за отсутствия материалов с необходимой магнитной проницаемостью.

Бо́льшую часть сенсоров для локального измерения магнитного поля сегодня делают из ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью. Однако при этом намагниченность самого материала приводит к искажению внешнего поля и, соответственно, может стать причиной ошибок при измерении. Обычно такие ошибки довольно незначительны, но в тех случаях, когда нужно использовать одновременно большое количество сенсоров или очень точно измерять небольшие поля (например, при биомедицинском анализе), эти искажения могут сказываться довольно сильно.

Испанские физики из Автономного университета Барселоны под руководством Альваро Санчеса (Alvaro Sanchez) с помощью численного моделирования разработали подход, позволяющий сделать магнитный сенсор «невидимым» (не искажающим внешнее магнитное поле) и при этом сохранить его чувствительность. Чувствительное магнитное ядро такого сенсора ученые предложили делать из ферромагнетика, а для того, чтобы это ядро не оказывало влияния на внешнее магнитное поле, оно должно покрываться оболочкой, состоящей из нескольких элементов с правильно подобранной магнитной проницаемостью. По словам ученых, основная трудность работы состояла именно в том, чтобы придумать такую структуру оболочки, которая работает только «в одну сторону», то есть не искажает внешнее поле, но при этом и не лишает сенсор возможности реагировать на внешнее поле и не снижает его чувствительности.

В простейшем случае чувствительное ферромагнитное ядро с относительной магнитной проницаемостью 10⁵ имело сферическую форму и покрывалось однослойной оболочкой из диамагнитного материала с магнитной проницаемостью меньше единицы. Картина магнитного поля внутри сенсора и снаружи от него рассчитывалась с помощью решений уравнений Максвелла.

В простейшей конфигурации со сплошной сферической оболочкой ученым удалось подобрать необходимые параметры для полного подавления искажений (для этого потребовались материалы с магнитной проницаемостью около 0,44), однако такая оболочка оказалось довольно толстой (толщиной в половину радиуса ядра) и работает она только для сенсора сферической формы. При этом довольно сильно снижалась намагниченность ядра по сравнению с обычным состоянием без внешнего диамагнитного слоя.

Чтобы сделать оболочку более универсальной и более тонкой, а также повысить намагниченность ядра, ученые рассмотрели более сложные конфигурации внешних слоев, содержащие разрезы различных форм и состоящие из большего количества элементов с низкой магнитной проницаемостью. Оказалось, что кроме усложнения конфигурации, для повышения эффективности оболочки между ней и самим сенсором также необходимо оставлять небольшой воздушный зазор, который позволяет увеличить чувствительность сенсора и увеличить магнитную проницаемость диамагнитного слоя.

В результате ученым удалось найти такую конфигурацию диамагнитного слоя, которая позволяет практически полностью подавить искажения внешнего магнитного поля для сенсоров не только сферической формы, но и, например, ферромагнитных элементов с эллипсоидальной формой. Правда, в некоторых случаях для этого требуются материалы с аномально низкой магнитной проницаемостью (около 0,05), и для их практической реализации потребуется использование сверхпроводящих материалов.

По словам авторов работы, с помощью предложенной ими сферической оболочки можно «прятать» от любого внешнего поля магнитные сенсоры любой формы. При этом в отдельных случаях — например, если сенсор имеет сферическую форму, а магнитное поле однородно, — можно добиться того, что сенсор станет абсолютно «невидимым», то есть никаких искажений магнитного поля снаружи от оболочки вообще не будет наблюдаться.

К сожалению, пока реализовать предложенный подход на практике, по крайней мере при комнатной температуре, не удастся, потому что материалов с нужной для оболочки магнитной проницаемостью не существует. Однако авторы работы утверждают, что подобные свойства можно воспроизвести, например, с помощью магнитных метаматериалов, состоящих из высокотемпературных сверхпроводников.

Магнитные датчики используются не только для биомедицинского анализа или при исследовании космоса — многие из них могут применяться и в повседневной жизни. Например, недавно британские ученые разработали технологию, которая позволяет с помощью магнитных сенсоров обнаруживать электрические двигатели, двигатели внутреннего сгорания и вентиляторы за бетонными стенами.

Александр Дубов