Ultrasensitiver Magnetfeldsensor

Messung stärkster Magnetfelder

Starke Magnetfelder spielen sowohl in der Datenverarbeitung, wie in medizinischen und chemischen bildgebenden Verfahren eine wichtige Rolle. Die meisten Geräte basieren auf dem Magnetowiderstand, kurz MR-Effekt genannt (MR = MagnetoResistance). Der MR-Effekt beschreibt die relative Änderung des elektrischen Widerstandes eines Leiters bei Anlegen eines Magnetfeldes - und damit die spezifische Materialeigenschaft.

Bei magnetischen Ausgangsstoffen werden verschiedene Effekte wie der "Giant-Magneto-Resistive Effekt" (GMR), der Collosale-Magneto-Resistive Effekt (CMR) etc. unterschieden (Vgl. Grundlagen der Magneto-Resistiven-Effekte). Die Effekte sind bekannt und werden für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, nichtsdestotrotz sind sie aber noch nicht vollständig wissenschaftlich erklärt.

In den vergangenen fünfzig Jahren gelang es der Wissenschaft stetig, die Intensität der erzeugten Magnetfelder zu steigern. Heute ist es regulär möglich, stabile Magnetfelder nahe 10 Tesla und pulsierende bei 40 Tesla herzustellen (1 Tesla gleich 10'000 Gauss, Vgl. Magnetische Einheiten). Beim Einsatz dieser Felder ist es natürlich wichtig, über eine möglichst präzise Sensorik zu verfügen, um sie genau zu bestimmen. Es hapert bisher noch an einem allgemein einsetzbaren, temperaturunabhängigen, kleinen, einfachen und billigen Sensor für starke Magnetfelder. In diese Lücke stoßen jetzt A. Husmann und T. F. Rosenbaum vom James Franck Institute and Department of Physics an der University of Chicago, J. B. Betts, G. S. Boebinger, A. Migliori vom National High Magnetic Field Laboratory des Los Alamos National Laboratory und M.-L. Saboungi vom Argonne National Laboratory in Illinois vor und stellen in der aktuellen Ausgabe von Nature ihren Megagauss-Sensor aus Silberchalkogeniden vor.

Sie mischten jeweils zwei Teile Silber, einen Teil Selenium und einen Teil Tellurium. Silberselenid (Ag2Se) und Silbertellurid (Ag2Te) sind an sich nicht-magnetisch, werden aber durch Hinzufügen geringer Mengen von überschüssigem Silber (ein Anteil in 10 000) sensitiv für Magnetfelder - diese Entdeckung war entscheidend. Die Physiker integrierten das Silberchalkogenid in einen Sensor und es gelang ihnen mithilfe dieses neuen Materials linear gleichmäßig Magnetfelder zu messen. Und das bis zu einer Größenordnung von 600 000 Gauss, das entspricht mehr als eine Million Mal dem Magnetfeld der Erde und war das Äußerste, was im Labor erreichbar war. Konventionelle Magnetfeld-Sensoren bekommen zumindest mit der Präzision ab 250'000 manifeste Probleme.

Ursprünglich wollte die Forscher-Gruppe eigentlich nur die Silberchalkogenide erforschen, um die Struktur glasiger Materialien durch die Bewegung der elektrischen Ladungen zu studieren. Im Rahmen dieser Versuchsreihen legten sie auch ein Magnetfeld an und stellten verblüfft den sensorischen Effekt fest.

Ihr neuer Sensor ist klein, günstig und sensitiv. Er ist nicht größer als eine Bleistiftspitze, also etwa einen Kubikmillimeter und das Material kostet nur ein paar Pennys. Die Forschungsarbeit wurde durch das U.S. Department of Energy finanziert und der neue Sensor bereits vergangenes Jahr von den Forschern zum Patent angemeldet.

Die potenziellen Anwendungen des neuen Silberchalkogenid- Megagauss-Sensors reichen von Magnetresonanzbildgebungsverfahren in der Medizin (Vgl. Innenansichten mit Magnetresonanz) bis zu Versuchsanordnungen, die ein genaueres Verständnis der bisher noch nicht ausreichend verstandenen Mechanismen Hochtemperatur-Supraleitung ermöglichen sollen (Vgl. Die höchsten Sprungtemperaturen).

In dem News-and-Views-Artikel in der gleichen Ausgabe von Nature geben sich Yeong-Ah Soh und Gabriel Aeppli vom NEC Research Institute in Princeton zuversichtlich, dass der neue Sensor einen Durchbruch bedeutet. Noch ist nicht ganz klar, worauf die magneto-sensorischen Eigenschaften des Materials beruhen. Die beiden Autoren stellen fest:

Husman und Kollegen beschreiben einen neuen Typ von Magnetowiderstand-Sensor. Auf einem völlig anderen Material (als die herkömmlichen Sensoren) basierend, funktioniert dieses Gerät über eine große Breite von Magnetfeld-Stärke und Temperatur...