Учёные Московского университета в сотрудничестве с БФУ им. И.Канта и Toyohashi University of Technology (Япония) разработали новый метод детектирования слабых магнитных полей с использованием элементов нанофотоники. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports (Nature Publishing Group).
Сенсоры магнитных полей применяются в совершенно разных областях, таких как хранение информации, геологоразведка, медицина и т. д. Часть областей применения, например магнитокардиография, требует возможности детектирования очень слабых магнитных полей. На сегодняшний день самыми чувствительными сенсорами магнитного поля являются сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИД), однако они требуют охлаждения до температур порядка 4 К и имеют значительные габариты, что осложняет локализацию области измерения.
Магнитооптические методы измерения магнитных полей применяются достаточно давно, но в основном для измерения сильных и сверхсильных магнитных полей ввиду слабости всех магнитооптических эффектов. Однако оптические методики измерения имеют значительное преимущество: они дают возможность значительной локализации измерений с области поверхности порядка 100 на 100 микрометров.
Последние 10 лет в нанофотонике активно развивается направление исследования так называемых магнитоплазмонных кристаллов – субволновых наноструктур, обладающих одновременно плазмонной запрещённой зоной и магнитооптическими свойствами. Эксперименты, проведённые с магнитоплазмонными кристаллами, показали возможность усиления магнитооптических эффектов более чем в 10 раз для определённых длин волн оптического излучения, что позволяет использовать эти эффекты для практических применений.
«Идея применить магнитоплазмонные кристаллы с усиленным магнитооптическим эффектом для детектирования магнитных полей родилась ещё несколько лет назад. Основная проблема, которую для этого пришлось решить, – это необходимость измерения постоянного магнитного поля, притом что магнитооптический эффект Керра, как правило, измеряется в переменном магнитном поле. Пока данная методика является proof of principle, а не готовым устройством, она показывает возможность применения магнитооптических методов для детектирования слабых магнитных полей», – рассказал один из авторов статьи, научный сотрудник физического факультета МГУ Андрей Грунин.
В опубликованной работе экспериментально показана возможность достижения чувствительности сенсора порядка 10^-6 эрстед. Таким образом, предложенная методика занимает промежуточное положение между сенсорами на эффекте Холла и СКВИД по чувствительности и локальности измерения магнитного поля.
«Подходы нанофотоники и магнитофотоники открывают новые возможности для создания сенсорных систем, так как законы распространения света на субволновом масштабе оказываются очень чувствительными к характеристикам среды и внешних полей», – рассказал руководитель лаборатории нанооптики и метаматериалов, профессор физического факультета МГУ Андрей Федянин.