MỸ – Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại từ kế (magnetometer) có độ chính xác cao dựa trên một vật liệu đặc biệt có khả năng thay đổi tính chất quang học khi chịu tác động của từ trường. Thiết bị này được tích hợp trực tiếp trên một con chip, hứa hẹn mang lại lợi ích cho các sứ mệnh không gian, hệ thống định vị cũng như các ứng dụng y sinh.

Từ kế có độ chính xác cao được sử dụng để đo cường độ và hướng của từ trường trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, nhiều loại từ kế hiện nay phải hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gần 0 kelvin (tương đương -273,15 độ C), hoặc cần đến các hệ thống thiết bị cồng kềnh và nặng, làm hạn chế đáng kể tính thực tế trong triển khai.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một từ kế chính xác cao dựa trên chip, sử dụng vật liệu đặc biệt có khả năng thay đổi tính chất quang học khi chịu tác động của từ trường

Ông Paolo Pintus thuộc đại học UCSB (University of California Santa Barbara) và đại học Cagliari (University of Cagliari, tại Ý), đồng chủ nhiệm dự án nghiên cứu, chia sẻ: “Thiết bị của chúng tôi hoạt động ở nhiệt độ phòng và có thể tích hợp hoàn toàn trên một chip điện tử. Trọng lượng nhẹ và mức tiêu thụ năng lượng thấp làm cho từ kế này đặc biệt phù hợp với các vệ tinh nhỏ, nơi nó có thể hỗ trợ nghiên cứu các vùng từ trường quanh các hành tinh hoặc giúp nhận dạng, phân tích các vật thể kim loại lạ trong không gian.”

Trên tạp chí Optica, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Galan Moody (tại đại học UCSB) dẫn dắt, cùng với Giáo sư Caroline A. Ross (viện công nghệ MIT – Massachusetts institute of technology) đồng chủ nhiệm, đã mô tả chi tiết về loại từ kế mới. Kết quả cho thấy thiết bị đạt độ nhạy tương đương với các từ kế hiệu năng cao khác, vốn kém thực tế hơn do yêu cầu vận hành phức tạp.

Ông Pintus chia sẻ: “Loại từ kế này có thể hữu ích cho định vị từ, cung cấp một nguồn định vị thay thế trong các môi trường mà GPS (global positioning system – hệ thống định vị toàn cầu) bị nhiễu, giả mạo hoặc không khả dụng, như dưới nước, trong đường hầm hoặc trong điều kiện tác chiến điện tử (tác chiến quân sự sử dụng sóng điện từ). Thiết bị cũng có thể hỗ trợ các phương pháp chẩn đoán hình ảnh y học như từ tâm đồ (magnetocardiography) và từ não đồ (magnetoencephalography), vốn hiện nay phụ thuộc vào các từ kế siêu nhạy nhưng yêu cầu thiết bị lớn, chi phí cao.”

Biến ánh sáng thành thông tin từ trường
Từ kế mới được phát triển trong khuôn khổ chương trình “Quantum sensing challenges for transformational advances in quantum systems” của quỹ khoa học quốc gia Mỹ (NSF – U.S. national science foundation). Công trình này kế thừa các nghiên cứu trước đó, trong đó nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu quang-từ (1) để phát triển bộ điều biến quang-từ và các bộ nhớ quang-từ tích hợp phục vụ tính toán quang học trong bộ nhớ.
(1) Vật liệu quang-từ (magneto-optical material) là những vật liệu có tính chất quang học thay đổi khi chúng chịu tác động của từ trường

Đối với thiết bị mới, các nhà nghiên cứu sử dụng một vật liệu quang-từ có tên yttri sắt garnet pha tạp xeri (Ce:YIG – cerium-doped yttrium iron garnet), do ông Yuya Shoji từ viện khoa học Tokyo (institute of science Tokyo) cung cấp. Khi có từ trường bên ngoài, ánh sáng truyền qua vật liệu Ce:YIG sẽ bị dịch pha, và sự thay đổi này có thể được phát hiện bằng giao thoa kế quang học (optical interferometer) (2).
(2) Giao thoa kế quang học (optical interferometer) là thiết bị sử dụng hiện tượng giao thoa ánh sáng để xác định các đại lượng cực nhỏ như sự thay đổi khoảng cách, dao động, thay đổi chiết suất,…

Giao thoa kế quang học hoạt động bằng cách chia chùm sáng thành hai nhánh và sau đó ghép lại. Bằng cách đặt vật liệu quang-từ vào một trong hai nhánh, nhóm nghiên cứu có thể xác định ánh sáng ở nhánh đó trở nên sáng hơn hay tối hơn, từ đó suy ra cường độ của từ trường.

Để tăng tính ứng dụng, thiết bị được chế tạo dựa trên công nghệ quang tử silicon, nền tảng cho phép tạo ra các linh kiện quang học siêu nhỏ từ cùng loại silicon dùng trong vi mạch. Nhờ đó, nhóm đã tạo ra một thiết bị có kích thước, khối lượng và mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu, đồng thời có thể tích hợp với các linh kiện quang học trên chip khác như laser và bộ thu quang.

Ông Pintus chia sẻ: “Trong lịch sử, các vật liệu quang-từ gần như chỉ được sử dụng trong bộ cách ly và bộ tuần hoàn quang, những thiết bị chuyên dụng đảm bảo ánh sáng chỉ truyền theo một chiều. Việc tích hợp trực tiếp vật liệu quang-từ vào mạch quang tử tích hợp giúp mở rộng đáng kể danh mục linh kiện quang tích hợp và mang lại các chức năng mới dựa trên những tính chất độc đáo của chúng.”

Từ kế này có thể hoạt động với ánh sáng laser thông thường, nhưng nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng ánh sáng lượng tử có thể cải thiện hiệu năng. Ông Pintus nói thêm: “Ý tưởng này tương tự như những gì đang được áp dụng trong các giao thoa kế quang học cỡ lớn dùng để phát hiện sóng hấp dẫn, chẳng hạn như đài quan sát LIGO (*). Bằng cách sử dụng ánh sáng bị nén (một trạng thái lượng tử đặc biệt của ánh sáng) có thể giảm nhiễu và nâng cao độ nhạy của thiết bị.”
(*) LIGO (laser interferometer gravitational-wave observatory): đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser. Đây là một dự án khoa học quy mô rất lớn của Mỹ, được thiết kế để phát hiện sóng hấp dẫn do các sự kiện vũ trụ dữ dội gây ra, như hai hố đen hoặc sao neutron va chạm.

Độ nhạy cao từ một thiết bị nhỏ gọn
Thông qua sự kết hợp giữa mô phỏng đa vật lý và các phép đo thực nghiệm, nhóm nghiên cứu cho thấy thiết bị có thể phát hiện từ trường trong khoảng từ vài chục picotesla đến 4 millitesla (*). Để so sánh, từ trường trái đất mạnh hơn khoảng 100.000 lần so với ngưỡng phát hiện tối thiểu của thiết bị, nhưng lại yếu hơn khoảng 1.000 lần so với giá trị từ trường tối đa mà thiết bị có thể đo được. Độ nhạy này tương đương với các từ kế đông lạnh hiệu năng cao, song không phải chịu những ràng buộc khắt khe về nhiệt độ, kích thước, khối lượng và công suất tiêu thụ.
(*) Picotesla (pT) và millitesla (mT): là đơn vị đo cường độ từ trường trong hệ đo lường quốc tế (SI). Tesla (T) là đơn vị cơ bản dùng để đo độ mạnh của từ trường. Từ trường càng mạnh thì giá trị tính bằng tesla càng lớn. 1 picotesla (pT) = 10⁻¹² tesla, 1 millitesla (mT) = 10⁻³ tesla. Từ trường Trái Đất có độ lớn vào khoảng 2,5×10-5 đến 6,5×10-5 tesla (tùy vào vị trí địa lý).

Sau khi chứng minh được tính khả thi của phương pháp, nhóm nghiên cứu tiếp tục cải thiện hiệu năng bằng cách khảo sát các vật liệu quang-từ thay thế và tích hợp thêm các thành phần lượng tử để đạt độ nhạy cao hơn nữa. Tuy nhiên, họ cũng lưu ý rằng việc thương mại hóa công nghệ này sẽ cần sự nỗ lực lớn trong việc chế tạo một hệ thống hoàn chỉnh trên chip, bao gồm cả các thành phần then chốt như laser và bộ thu quang tích hợp.

Để xem các tin bài khác về “Từ kế”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online