Một con chip nhỏ hơn hạt bụi có thể phát hiện những từ trường cực yếu mà các cảm biến thông thường khó nhận ra. Công nghệ mới do các nhà khoa học Trung Quốc phát triển thậm chí được cho là có tiềm năng phát hiện “bóng từ” của tàu ngầm vỏ thép ở khoảng cách tới 500 m.
Hãy tưởng tượng một ngư dân đang kéo lưới vào một buổi sáng yên ả trên biển, rồi chiếc đồng hồ thông minh bất ngờ rung lên với cảnh báo: “Phát hiện bất thường từ trường – có thể có tàu ngầm đang di chuyển ở độ sâu 500 m.”
Nghe giống một kịch bản khoa học viễn tưởng, nhưng nghiên cứu mới của các nhà khoa học Trung Quốc đã đưa khả năng này tiến thêm một bước.
Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì và Viện Công nghệ Vật liệu và Kỹ thuật Ninh Ba, đều thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), đã phát triển một cảm biến từ trường hiệu ứng Hall có độ nhạy rất cao.
Về lý thuyết, cảm biến có thể nhận biết tín hiệu từ trường rất yếu do một tàu ngầm vỏ thép tạo ra ở khoảng cách khoảng nửa km, trong khi toàn bộ thiết bị chỉ nằm trên một con chip có kích thước nhỏ hơn hạt bụi.
Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 17/7 trên tạp chí Physical Review Letters, giải quyết một vấn đề tồn tại hàng chục năm: tăng độ nhạy của cảm biến thường đồng nghĩa với việc làm tăng nhiễu.
Cảm biến Hall vốn đã xuất hiện trong nhiều thiết bị quen thuộc như đồng hồ thông minh, smartphone, hệ thống đo tốc độ bánh xe ô tô và máy quét y tế. Chúng phát hiện từ trường bằng cách tạo ra một điện áp cực nhỏ khi có từ trường tác động.
Ưu điểm của công nghệ này là đơn giản, rẻ, nhanh và nhỏ gọn. Tuy nhiên, khi thu nhỏ cảm biến để tăng độ nhạy, mức nhiễu thường tăng theo — tương tự việc tăng âm lượng radio cũng khiến tiếng rè nền lớn hơn.
Các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm ra cách phá vỡ sự đánh đổi này.
Bí quyết nằm ở chuyển động của các spin
Bên trong vật liệu từ tính, vô số electron quay và hình thành những cấu trúc gọi là texture spin. Những cấu trúc này không đứng yên mà liên tục dao động, lan truyền và đôi khi chuyển đột ngột từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Chính những chuyển động ở cấp độ cực nhỏ đó tạo ra nhiễu mà cảm biến có thể nhận thấy ở cấp độ lớn hơn.
Nhóm nghiên cứu phát hiện mức nhiễu có liên hệ trực tiếp với tốc độ chuyển động của các cấu trúc spin: chuyển động càng chậm, nhiễu càng lớn; chuyển động càng nhanh, nhiễu càng giảm.
Từ phát hiện này, nhóm đã thiết kế một cấu trúc sắt từ nhân tạo có động lực spin đặc biệt nhanh.
Bằng cách kiểm soát chính xác độ dày của các lớp vật liệu từ tính và tối ưu quá trình ủ nhiệt, các nhà nghiên cứu có thể tăng khả năng phản ứng của vật liệu trước những thay đổi rất nhỏ của từ trường.
Cảm biến từ Hall dị thường được tạo ra từ vật liệu mới có vùng phát hiện hiệu dụng chỉ 20 × 20 micromet.
Không giống các từ kế proton cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng hay thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) cần hệ thống làm lạnh đắt tiền, cảm biến Hall có cấu tạo đơn giản và chi phí thấp hơn đáng kể.
Các nhà nghiên cứu cho rằng phương pháp này cũng có thể áp dụng cho nhiều vật liệu từ tính khác. Một số vật liệu có động lực spin thậm chí còn nhanh hơn, qua đó có khả năng giảm nhiễu thêm nhiều bậc độ lớn.
Liệu có thể phát hiện tàu ngầm?
Về nguyên lý, có thể, nhưng việc đưa công nghệ vào thực tế vẫn còn nhiều rào cản.
Phát hiện tàu ngầm là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ phát hiện dị thường từ trường (MAD). Khi tàu ngầm vỏ thép di chuyển trong từ trường Trái đất, nó gây nhiễu và làm thay đổi phân bố từ trường cục bộ, giống như một nam châm khổng lồ đang chuyển động.
Nhiệm vụ của cảm biến MAD là phát hiện sự thay đổi cực nhỏ đó.
Độ nhạy của cảm biến trong nghiên cứu mới đủ để phát hiện tàu ngầm ở khoảng cách gần, nhưng chưa đáp ứng yêu cầu phát hiện từ xa. Vì vậy, ứng dụng trong tác chiến chống ngầm vẫn còn khá xa.
Trong ngắn hạn, công nghệ này có thể có giá trị rõ ràng hơn trong y sinh học và công nghiệp.
Từ tàu ngầm đến trái tim và não người
Tim người tạo ra các tín hiệu từ trường cực nhỏ, trong khi hoạt động của các tế bào thần kinh trong não cũng tạo ra từ trường riêng.
Những tín hiệu này thường nằm trong phạm vi từ picotesla đến nanotesla, đúng với vùng hoạt động của cảm biến mới.
Kết hợp độ nhạy cao với vùng phát hiện chỉ 20 micromet, thiết bị có thể mở ra những công cụ mới cho nghiên cứu não bộ cũng như hỗ trợ phát hiện sớm các vấn đề về tim.
Theo CAS, trong ngành ô tô, sản xuất điện tử và khoa học vật liệu, cảm biến nhỏ gọn với độ nhạy cao và nhiễu thấp cũng có thể được sử dụng trong kính hiển vi quét đầu dò, giúp ghi lại cấu trúc cực nhỏ bên trong vật liệu.
Điểm đáng chú ý nhất của nghiên cứu vì thế không chỉ nằm ở khả năng phát hiện tàu ngầm. Quan trọng hơn, các nhà khoa học đã tìm ra một hướng thiết kế cảm biến từ trường nhỏ hơn, nhạy hơn nhưng không phải trả giá bằng mức nhiễu cao hơn — yếu tố có thể mở rộng ứng dụng của công nghệ từ lĩnh vực quân sự sang y tế, điện tử và khoa học vật liệu.
Theo SCMP, CAS
