Levitated Milligram-scale Ferromagnetic Magnetometer at Room Temperature
Questo articolo dimostra un magnetometro ferromagnetico a levitazione diamagnetica, a temperatura ambiente e su scala milligrammica, che raggiunge una sensibilità magnetica di 23 fT/√Hz al livello di 100 Hz, stabilendo una piattaforma promettente per il rilevamento biomagnetico e per la ricerca di fisica oltre il modello standard.
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Immaginate il mondo della fisica come un enorme oceano invisibile di forze. Alcune onde sono enormi e ovvie, come la forza di gravità che tiene i vostri piedi a terra. Ma altre sono minuscole, sussurri silenziosi, come i deboli campi magnetici generati dai segnali elettrici nel vostro stesso cervello o l'oscuro ronzio della materia oscura che potrebbe nascondersi nell'universo. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di costruire delle "orecchie" abbastanza sensibili da sentire questi sussurri. Il problema è che l'oceano è rumoroso; il pavimento vibra, l'aria trema e l'attrezzatura stessa sussulta. Per sentire i suoni più silenziosi, è necessario costruire un sensore così delicato da fluttuare, completamente sciolto dal mondo disordinato e vibrante circostante. Questo è il regno della "rilevazione levitante", dove gli scienziati cercano di sospendere piccoli oggetti a mezz'aria usando magneti o luce, isolandoli così perfettamente che anche il minimo accenno di un campo magnetico li fa danzare. Se riusciranno a padroneggiare questo, potrebbero rilevare cose che non abbiamo mai visto prima, dalle impronte magnetiche delle cellule viventi alle particelle spettrali che compongono l'universo oscuro.
In questo nuovo studio, un team di ricercatori ha costruito un "orecchio" magnetico super sensibile utilizzando un piccolo pezzo di magnete galleggiante che danza a temperatura ambiente. Invece di utilizzare attrezzature costose e super-fredde per congelare il rumore, sono riusciti a far levitare un pezzo di scala milligrammica di ferromagnete duro (un materiale che agisce come un magnete permanente) usando una configurazione ingegnosa di altri magneti e un tipo speciale di materiale "anti-magnetico" chiamato bismuto. Pensate a come bilanciare una trottola su un cuscino di aria invisibile, ma invece dell'aria, è un campo magnetico, e la trottola è una piccola barra di magnete. I ricercatori hanno modellato questa barra magnetica in forma di bastoncino lungo e sottile e l'hanno sospesa tra un forte magnete di sollevamento e due piastre fatte di nanoparticelle di bismuto. Queste piastre di bismuto agiscono come un trampolino magico che spinge il magnete verso l'alto, mantenendolo in fluttuazione senza toccare nulla.
La magia di questo esperimento risiede in quanto hanno reso silenzioso il sistema. Di solito, quando un oggetto metallico ruota in un campo magnetico, crea minuscole correnti elettriche rotanti all'interno di se stesso (chiamate correnti parassite o eddy currents) che agiscono come attrito, rallentandolo e creando rumore. Il team ha risolto questo problema utilizzando nanoparticelle di bismuto che crescono naturalmente una sottile pelle isolante quando esposte all'aria. Questa pelle impedisce alle correnti elettriche di scorrere liberamente, spegnendo efficacemente l'"attrito". Hanno anche avvolto l'intera configurazione in speciali scudi per bloccare il rumore magnetico esterno e l'hanno posizionata su un sistema di sospensione multistrato per impedire al pavimento di scuotere l'esperimento.
Il risultato è un magnetometro incredibilmente sensibile. Quando lo hanno testato, il magnete galleggiante è stato in grado di rilevare campi magnetici deboli quanto 23 femtotesla per radice quadrata di hertz (23 fT/√Hz) a una frequenza di circa 153 Hz. Per metterlo in prospettiva, un femtotesla è un quadrilionesimo del campo magnetico terrestre. Questo livello di sensibilità si vede di solito solo in sistemi che vengono raffreddati vicino allo zero assoluto, ma questo funziona proprio qui, in una stanza normale. I ricercatori hanno confermato questa sensibilità scuotendo delicatamente il magnete con un segnale magnetico noto e osservando come rispondeva, scoprendo che le loro misurazioni corrispondevano perfettamente alle loro previsioni.
Tuttove, l'articolo nota con cautela che questo non è ancora il limite assoluto. L'attuale sensibilità è frenata principalmente da minuscole vibrazioni dell'ambiente, non dal magnete stesso. Il team suggerisce che con qualche ulteriore modifica — come rendere il sistema di isolamento ancora migliore e utilizzare materiali con ancora meno "attrito" interno (isteresi magnetica) — potrebbero spingere la sensibilità sotto il livello del sub-femtotesla (meno di 1 fT/√Hz). Ciò renderebbe il dispositivo abbastanza sensibile da dare la caccia a particelle esotiche come assioni o fotoni oscuri, che sono candidati per la materia oscura, o per mappare i campi magnetici dei tessuti biologici con un dettaglio senza precedenti. Per ora, hanno dimostrato che un magnete galleggiante a temperatura ambiente può essere un detective di classe mondiale per le forze invisibili della natura.
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