This post is also available in:
English (אנגלית)
זיהוי שדות מגנטיים חלשים במיוחד שימושי במגוון תחומים, החל מהדמיה רפואית ועד לניטור תעשייתי, אך ככל שהרגישות עולה מתעוררת בעיה בסיסית: רעש. כאשר חיישנים מגנטיים הופכים לרגישים יותר, תנודות מיקרוסקופיות בתוך החומרים שמהם הם עשויים עלולות להיראות כמו האותות החיצוניים שאותם הם אמורים לזהות, ולהקשות על הבחנה בחתימות מגנטיות חלשות.
חוקרים ממכוני חפיי למדעים פיזיקליים (Hefei Institutes of Physical Science) ומהמכון לטכנולוגיה והנדסת חומרים בנינגבו (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering) פיתחו חיישן מגנטי זעיר המבוסס על אפקט הול, שנועד להפחית את הרעש הפנימי הזה. ממדי החיישן הם כ־20 על 20 מיקרומטרים בלבד, ולדברי החוקרים הוא השיג שיפור של כמעט סדר גודל ביכולת גילוי השדה המגנטי בהשוואה לחיישני הול פרומגנטיים דומים.
חיישנים המבוססים על אפקט הול פועלים באמצעות העברת זרם חשמלי דרך חומר. כאשר מופעל שדה מגנטי, הוא מסיט מעט את נושאי המטען הנעים ויוצר מתח חשמלי קטן לרוחב החומר. מדידת המתח מאפשרת לקבוע את עוצמת השדה המגנטי. הטכנולוגיה כבר נחשבת לאטרקטיבית משום שחיישני הול הם קומפקטיים, מבוססי מצב מוצק וקלים יחסית לשילוב במערכות אלקטרוניות.
על פי דיווח של Interesting Engineering, התכנון החדש מתמודד עם אחת ממגבלות הטכנולוגיה באמצעות שליטה בדינמיקה של מבני הספין בתוך החומר המגנטי. בחומרים מגנטיים קיימים אזורים מיקרוסקופיים שבהם הספינים של האלקטרונים מסתדרים בדפוסים שונים. מבנים אלה משתנים באופן טבעי ויוצרים רעש מגנטי, שעלול להסתיר שדות חיצוניים חלשים.
החוקרים גילו כי האצת השינויים במבנים המגנטיים הללו יכולה להפחית רעש בתדרים נמוכים. לשם כך הם פיתחו פרומגנט סינתטי רב־שכבתי בעל דינמיקת ספין מהירה במיוחד. כך הצליח החיישן לשמור על תגובה חזקה לשדות מגנטיים חיצוניים באמצעות אפקט הול, ובמקביל לצמצם את התנודות הפנימיות הלא רצויות.
החיישן שהתקבל השיג, לפי הדיווח, יכולת גילוי שדה של כ־15.7 ננו־טסלה לשורש הרץ בתדר של 1 הרץ. השטח הפעיל הזעיר שלו עשוי לאפשר בעתיד לשלב את הטכנולוגיה במערכות אלקטרוניות קומפקטיות ובמערכים צפופים הכוללים מספר רב של חיישנים מגנטיים.
יישום ביטחוני אפשרי אחד משך תשומת לב מיוחדת. לפי דיווחים, בתנאים תיאורטיים הטכנולוגיה עשויה להיות מסוגלת לזהות את החתימה המגנטית החלשה של צוללת בעלת גוף פלדה ממרחק של כ־500 מטרים. עם זאת, החוקרים עצמם לא הדגימו יכולת גילוי של צוללות, והם זהירים יותר בנוגע ליישומים המיידיים של החיישן.
היכולות שהודגמו בפועל מצביעות בשלב זה על שימושים בתחומים כמו אלקטרוניקה לרכב, מיקרוסקופיה מגנטית וחישה ביו־רפואית. יישומים עתידיים אפשריים כוללים מדידת שדות מגנטיים חלשים הנוצרים על ידי הלב או המוח, וכן פיתוח מערכות אבחון קומפקטיות מסוג "מעבדה על שבב".
בתחום הביטחוני, חיישנים מגנטיים בעלי רגישות מספקת עשויים בעתיד להשלים טכנולוגיות קיימות לגילוי צוללות, באמצעות איתור שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ הנגרמים על ידי עצמים מתכתיים גדולים. עם זאת, הפיכת חיישן בקנה מידה מעבדתי לגלאי ימי מבצעי תחייב התמודדות עם אתגרים משמעותיים, בהם רעשי סביבה, טווח הגילוי, פריסת מערכי חיישנים ותנאי ההפעלה בים.
בסופו של דבר, הממצא הרחב יותר של המחקר עשוי להיות חשוב יותר מכל יישום מסוים: דינמיקת ספין מגנטית מהירה יותר יכולה להפחית את הרעש בחיישנים. אם ניתן יהיה ליישם את העיקרון גם בחומרים אחרים, הדורות הבאים של חיישנים מגנטיים עשויים להיות קטנים ורגישים משמעותית מהקיימים כיום.
