Um chip compacto com um sensor de efeito de Hall consegue captar campos magnéticos ténues ao gerar uma tensão minúscula, sem aumentar o ruído
Imagine um pescador a recolher as redes numa manhã calma, no mar, quando o smartwatch vibra de repente com um alerta: “Anomalia magnética detetada. Possível submarino a passar a 500 metros de profundidade”.
Por mais rebuscado que pareça, cientistas chineses acabam de dar um passo decisivo para tornar esse cenário real, conta o South China Morning Post.
Uma equipa da Chinese Academy of Sciences (CAS), criou um sensor magnético de efeito de Hall tão sensível que poderia, em teoria, captar a ténue sombra magnética de um submarino de casco de aço a meio quilómetro de distância.
Tudo isto num chip não maior do que um grão de poeira.
Os resultados, apresentados num artigo recentemente publicado na Physical Review Letters, quebram um compromisso entre sensibilidade e ruído que perdurava há décadas e que impedia os sensores magnéticos comuns de ouvir os sinais mais ténues.
Os sensores de efeito de Hall são os obreiros silenciosos de muitos aparelhos do dia a dia. Já integrados em smartwatches, smartphones, sensores de velocidade das rodas dos automóveis e scanners hospitalares, detetam campos magnéticos ao gerar uma tensão minúscula quando um campo está presente.
São simples, baratos, rápidos e compactos, perfeitos para wearables.
Mas, até agora, torná-los mais pequenos e mais sensíveis trazia um efeito secundário penoso: mais ruído, tal como subir o volume de um rádio amplifica também o chiado.
Dentro dos materiais magnéticos, um sem-número de eletrões gira e forma padrões a que se chama texturas de spin. Estes padrões estão longe de ser estáticos: ondulam, oscilam e, por vezes, saltam de forma abrupta de um estado para outro. Esse movimento microscópico produz ruído à escala macroscópica.
A equipa descobriu que o nível de ruído depende diretamente da rapidez com que as texturas se movem: um movimento mais lento gera mais ruído, um movimento mais rápido gera menos, e os dois estão ligados por uma relação inversa exata.
Com base nesta descoberta, conceberam uma estrutura ferromagnética artificial com uma dinâmica de texturas de spin excecionalmente rápida. Ao controlar com precisão a espessura das camadas magnéticas e ao afinar o processo de recozimento, maximizaram a sensibilidade do material aos campos magnéticos.
O sensor magnético de Hall anómalo resultante, baseado neste novo material, tem uma área de deteção efetiva de apenas 20 por 20 micrómetros.
Ao contrário dos volumosos magnetómetros de protões, que consomem muita energia, ou dos dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUID), que exigem uma refrigeração dispendiosa, os sensores de efeito de Hall são bastante mais baratos e simples de usar.
Os investigadores escreveram no artigo que este método pode também funcionar com outros materiais magnéticos. Alguns poderão ter uma dinâmica de spin interna ainda mais rápida, o que poderia cortar o ruído ainda mais, em várias ordens de grandeza.
Poderá então esta tecnologia servir para detetar submarinos?
Em princípio, sim, embora a aplicação prática ainda enfrente muitos desafios. A deteção de submarinos é uma aplicação central da tecnologia de deteção de anomalias magnéticas (MAD).
Os submarinos de casco de aço que se deslocam no campo magnético da Terra comportam-se como ímanes em movimento e perturbam a distribuição local do campo. A função do sensor é captar a ténue anomalia do submarino.
A sensibilidade atual do sensor deste estudo permitiria detetar um submarino a curta distância, mas fica aquém para a deteção a longa distância. Se a guerra antissubmarina continua a ser um objetivo distante, a tecnologia é mais promissora, a curto prazo, em aplicações biomédicas e industriais.
O batimento cardíaco humano produz sinais magnéticos e a atividade neural do cérebro gera os seus próprios campos magnéticos. Estes sinais situam-se, em geral, entre o picotesla e o nanotesla, precisamente dentro da janela de funcionamento deste novo sensor.
Aliado à sua minúscula área de deteção de apenas 20 micrómetros, o aparelho poderá oferecer novas ferramentas para a investigação sobre o cérebro e para o diagnóstico precoce de doenças cardíacas.
Segundo a CAS, na indústria automóvel, no fabrico de eletrónica e na ciência dos materiais, este sensor compacto, de alta sensibilidade e baixo ruído, poderá também ser usado em microscopia de varrimento por sonda para obter imagens da estrutura microscópica dos materiais.
(ZAP)