Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) обнаружили, что тщательно сконструированный магнитный сэндвич, в котором слои магнитного сплава чередуются с несколькими нанометрами серебряного «спейсера», значительно повышает чувствительность - в 400 раз. улучшение в некоторых случаях.
Этот материал может привести к значительному улучшению магнитных датчиков для широкого спектра применений, от обнаружения оружия и неразрушающего контроля до медицинских устройств и высокопроизводительного хранения данных.
Эти и многие другие приложения основаны на тонких пленках магнитных материалов, в которых направление намагниченности можно переключать с одной ориентации на другую. Важной характеристикой магнитной пленки является ее поле насыщения, величина приложенного магнитного поля, которое полностью намагничивает пленку в том же направлении, что и приложенное поле - чем меньше поле насыщения, тем чувствительнее устройство.
Поле насыщения часто определяется величиной напряжения в пленке - атомы под напряжением из-за натяжения связей с соседними атомами более устойчивы к изменению своей магнитной ориентации. Металлические пленки развиваются не как единый монолитный кристалл, как алмазы, а скорее как беспорядочная мозаика микроскопических кристаллов, называемых зернами. Атомы на границах между двумя разными зернами имеют тенденцию быть более напряженными, поэтому пленки с большим количеством мелких зерен, как правило, имеют большее внутреннее напряжение, чем пленки с более крупными зернами. Напряжение в пленке также увеличивается по мере того, как пленка становится толще, что неблагоприятно, поскольку толстые пленки часто требуются для применений с высоким намагничиванием.
Исследовательская группа NIST обнаружила, что напряжение магнитной пленки можно значительно снизить, периодически добавляя слой металла с другой кристаллической структурой или периодом решетки между магнитными слоями. Хотя механизм до конца не ясен, по словам ведущего автора Уильяма Эгельхоффа-младшего, промежуточные слои нарушают рост магнитной пленки и вызывают создание новых зерен, которые становятся больше, чем в монолитных пленках. Исследователи подготовили многослойные пленки со слоями магнитного сплава никель-железо-медь-молибден толщиной 100 нанометров (нм) каждый, перемежающимися слоями серебра толщиной 5 нм. Структура уменьшила растягивающее напряжение (над монолитной пленкой эквивалентной толщины) в 200 раз и уменьшила поле насыщения в 400 раз.
Работа имеет особое применение в разработке «концентраторов потока», магнитных структур, которые втягивают внешние силовые линии магнитного поля и концентрируют их в небольшой области. Концентраторы потока используются для усиления полей в компактных магнитных датчиках, используемых в самых разных приложениях.