Fabricación y caracterización de un sensor magneto-óptico basado en materiales compuestos transparentes con nanopartículas magnéticas

Resumen

Se ha optimizado la preparación mediante la vía sol-gel de nanocompuestos maghemita/sílice que conducen a materiales monolíticos en los que el óxido de hierro se presenta principalmente en forma de nanopartículas, con una distribución de tamaños variable entre 6 y 20 nm, integradas en la red porosa de la sílice. Actuando sobre los tiempos de las diferentes etapas de preparación desde el sol hasta el gel, se ha conseguido mejorar la respuesta magnética y magneto-óptica de estos materiales, demostrando que el ajuste preciso del tiempo de envejecimiento es el parámetro más relevante. Inicialmente, los geles secos se sometieron a un tratamiento térmico en nitrógeno hasta 700ºC, obteniéndose muestras monolíticas con una buena respuesta magneto-óptica. Algunas presentan unos valores de la constante de Verdet a bajo campo (~100 Oe) de - 950 rad/Tm y una rotación específica Faraday a 1,2 kOe de -19 rad/m a 780 nm. Las curvas de distribución de tamaños, obtenidas a partir de imágenes de microscopía electrónica, se han correlacionado con las curvas de magnetización y se ha observado que la respuesta magnética mejora al incrementarse el tamaño medio de las nanopartículas. En paralelo, se han fabricado por vía química húmeda, nanopartículas magnéticas de maghemita y magnetita aisladas, recubiertas de distintas sustancias que actúan durante el proceso de síntesis como agentes de control de su tamaño, y se han estudiado sus propiedades estructurales y magnéticas, observando la influencia sobre las mismas de los efectos superficiales. Comparando las características magneto-ópticas de los nanocompuestos maghemita/sílice con los materiales obtenidos encapsulando estas nanopartículas magnéticas aisladas en diversas matrices (sílice, polímeros, etc.) se ha llegado a la conclusión de que son las primeras las que ofrecen una mejor respuesta. Posteriormente, se ha encontrado que un tratamiento térmico adicional en aire hasta 500ºC de los nanocompuestos maghemita/sílice conduce a un fuerte incremento de la transmitancia junto a una mejora de la respuesta magneto-óptica en un cierto intervalo de longitudes de onda (constante de Verdet de -1950 rad/Tm a 21 Oe y rotación Faraday específica máxima de -26,9 rad/m a 780 nm). Usando estos materiales como elementos sensores, se ha desarrollado un prototipo para la medida de corriente y de campo magnético alternos, sobre la plataforma de hardware/software libre Arduino, que incorpora un pequeño amplificador lock-in, un diodo láser y un fotodetector, junto con un circuito para determinar la tensión de salida del amplificador lock-in basado en un conversor analógico-digital de 24 bits. El procedimiento de medida desarrollado permite compensar las variaciones de tensión debidas a las fluctuaciones de la fuente luminosa o a la influencia de las oscilaciones de la temperatura sobre el elemento sensor. Mediante este dispositivo se ha podido medir el campo creado por un hilo de corriente por el que se ha hecho circular una corriente en el rango 0-91 A, verificándose su utilidad como amperímetro óptico.