Nhóm nghiên cứu Trung Quốc-Đức chế tạo "la bàn lơ lửng" siêu nhạy để săn tìm vật chất tối

Máy đo từ trường lơ lửng, hay LeMaMa, hoạt động giống như một chiếc la bàn với kim chỉ lơ lửng trong không trung mà hầu như không có ma sát. Ảnh: SCMP.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển một thiết bị cảm biến từ trường đặt trên bàn, hoạt động ở nhiệt độ phòng và có khả năng phát hiện những tín hiệu từ trường yếu hơn từ trường Trái đất tới 1 tỷ lần.

Thiết bị mang tên Levitated Magnet Magnetometer (LeMaMa) hoạt động giống một chiếc la bàn nhưng kim cảm biến được “treo” lơ lửng trong không khí, gần như không chịu ma sát. Nhờ theo dõi những chuyển động cực nhỏ của kim, nhóm nghiên cứu có thể đo các từ trường ở cấp femtotesla – đơn vị bằng một phần triệu tỷ tesla.

Khả năng này có thể mở ra những ứng dụng mới, từ nghiên cứu các hạt vật chất tối bí ẩn đến theo dõi tín hiệu từ não người.

“Việc kết hợp khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng, kích thước nhỏ và độ nhạy cao khiến LeMaMa trở thành thiết bị đầy triển vọng cho các thí nghiệm vật lý cơ bản”, Ji Wei, phó giáo sư tại Khoa Vật lý Đại học Bắc Kinh và tác giả liên hệ của nghiên cứu, nói với Guangming Daily ngày 17/8.

Từ trường tồn tại ở khắp nơi, với cường độ trải dài từ khoảng 1,5 tesla trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI) đến mức cực kỳ yếu do hoạt động của não người tạo ra. Việc đo chính xác những từ trường nhỏ như vậy từ lâu đã là một thách thức lớn.

Nghiên cứu của các nhà khoa học Đại học Bắc Kinh và Đại học Johannes Gutenberg Mainz (Đức), được công bố trên tạp chí Science ngày 6/8, được cho là tạo ra máy đo từ trường siêu chính xác đầu tiên sử dụng nam châm lơ lửng và hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Trước đây, phép đo ở cấp femtotesla chủ yếu dựa vào hai công nghệ.

Một là SQUID, cảm biến có độ nhạy rất cao nhưng phải hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gần độ không tuyệt đối. Hệ thống này cần làm lạnh bằng helium lỏng, khiến thiết bị cồng kềnh và đắt đỏ.

Công nghệ thứ hai là SERF, sử dụng hơi nguyên tử được nung nóng để đạt độ nhạy tương tự. Tuy nhiên, nó chỉ hoạt động trong môi trường có từ trường gần bằng 0 và cần một phòng được che chắn từ trường rất nặng, khiến việc phát hiện tín hiệu ở khoảng cách gần bị hạn chế.

LeMaMa khắc phục một số nhược điểm trên khi hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần che chắn từ trường và có kích thước nhỏ gọn.

Thiết bị không cần helium lỏng, không cần gia nhiệt và cũng không cần phòng che chắn cồng kềnh. Toàn bộ hệ thống có thể nằm trong một buồng chân không có kích thước tương đương hộp đựng đồ ăn.

“Chiếc la bàn” không có trục quay

LeMaMa có nguyên lý tương tự la bàn. Để một chiếc la bàn đạt độ nhạy cao, kim phải có thể xoay gần như không chịu lực cản.

Trái tim của thiết bị là một nam châm cảm biến chỉ dày 0,4 mm. Nhóm nghiên cứu đặt một nam châm khác phía trên để tạo lực hướng lên, cân bằng trọng lực.

Tuy nhiên, chỉ hai nam châm là chưa đủ để giữ cảm biến ổn định. Các nhà khoa học bổ sung vật liệu nghịch từ được thiết kế đặc biệt bên dưới nam châm, tạo lực đẩy giúp nó lơ lửng ổn định.

Khi xuất hiện từ trường bên ngoài, nam châm cảm biến sẽ lệch đi một góc cực nhỏ. Bằng cách đo độ lệch này, nhóm nghiên cứu có thể xác định cường độ và sự biến đổi của từ trường bên ngoài.

Để giảm nhiễu môi trường, nam châm được đặt trong buồng chân không và toàn bộ hệ thống được gắn trên bệ cách ly rung.

Trong các thử nghiệm, LeMaMa cho thấy khả năng phát hiện những biến động từ trường cực yếu ở cấp femtotesla, ngay cả khi hoạt động trong một môi trường có từ trường nền mạnh.

Điều này có nghĩa cảm biến có thể nhận ra những dao động cực nhỏ dù phải “đứng” giữa nhiễu từ trường tự nhiên của Trái đất mạnh hơn hàng tỷ lần.

Hướng tới săn tìm vật chất tối

LeMaMa cũng có thể được sử dụng để tìm kiếm những hạt mới, trong đó có vật chất tối.

Theo Ji, nhóm nghiên cứu đã sử dụng LeMaMa để tìm kiếm vật chất tối axion và trong một khoảng khối lượng nhất định, thiết bị đã cải thiện độ nhạy lên nhiều bậc độ lớn so với kết quả tốt nhất trước đây.

Theo Đại học Bắc Kinh, cảm biến cốt lõi của LeMaMa chỉ rộng vài trăm micromet, giúp thiết bị vừa nhỏ gọn vừa có độ nhạy cao. Đây là đặc điểm phù hợp với các ứng dụng chụp ảnh từ trường độ phân giải cao và đo từ trường ở khoảng cách gần.

Trong y sinh, công nghệ này có thể được dùng để đo tín hiệu từ trường do hoạt động thần kinh tạo ra, hỗ trợ nghiên cứu não bộ và chẩn đoán các bệnh thần kinh.

Trong lĩnh vực địa vật lý, kích thước nhỏ của LeMaMa cũng có thể giúp thiết bị thực hiện các phép lập bản đồ từ trường độ chính xác cao và khảo sát tài nguyên khoáng sản.