Magnetic Field Manipulation for Cutting-Edge Technologies

Abstract

El magnetisme és una força fonamental del l’univers, essencial en molts processos naturals i tecnològics. Desenvolupar nous mètodes per manipular aquest camp podria conduir a avenços significatius tant en la comprensió de la física fonamental com en el desenvolupament i perfeccionament de tecnologies capdavanteres. En aquesta tesi, presentem una eina per manipular camps magnètics mitjançant materials magnètics ideals, amb l’objectiu d’aconseguir distribucions precises i controlades, així com d’obtenir altres efectes físics interessants. A més, descrivim com materials reals, com els superconductors i materials ferromagnètics tous, poden reproduir aquestes propietats sota certes condicions. Aquests conceptes es demostren analíticament, numèricament i experimentalment. Per il·lustrar com aquest marc teòric pot aplicar-se a situacions reals, hem explorat la seva implementació en quatre casos pràctics de diferents àmbits, escales i nivells de desenvolupament, demostrant-ne la gran versatilitat. Aquestes aplicacions inclouen la manipulació del camp magnètic per complir requisits específics en el confinament estable del plasma en reactors de fusió, la generació de distribucions magnètiques precises per levitar partícules microscòpiques superconductores, la concentració de camp magnètic en un pla per millorar la sensibilitat de sensors magnètics en xips i l’increment, en diversos ordres de magnitud, de la sensibilitat dels detectors d’axions. Introduir i exemplificar aquesta eina per abordar desafiaments en tecnologies emergents no només demostra la seva utilitat en aquestes aplicacions específiques, sinó que també proporciona una intuïció sobre com pot aplicar-se en altres camps que requereixin camps magnètics precisos i controlats.

El magnetismo es una fuerza fundamental del universo, esencial en muchos procesos naturales y tecnológicos. Desarrollar nuevos métodos para manipular este campo podría conducir a avances significativos tanto en la comprensión de la física fundamental como en el desarrollo y perfeccionamiento de tecnologías de vanguardia. En esta tesis, presentamos una herramienta para manipular campos magnéticos mediante materiales magnéticos ideales, con el objetivo de lograr distribuciones precisas y controladas, así como obtener otros efectos físicos interesantes. Además, describimos cómo materiales reales, como los superconductores y materiales ferromagnéticos blandos, pueden reproducir estas propiedades bajo ciertas condiciones. Estos conceptos se demuestran analíticamente, numéricamente y experimentalmente. Para ilustrar cómo este marco teórico puede aplicarse a situaciones reales, hemos explorado su implementación en cuatro casos prácticos de diferentes ámbitos, escalas y niveles de desarrollo, demostrando su gran versatilidad. Estas aplicaciones incluyen la manipulación del campo magnético para cumplir requisitos específicos en el confinamiento estable del plasma en reactores de fusión, la generación de distribuciones magnéticas precisas para levitar partículas microscópicas superconductoras, la concentración del campo magnético en un plano para mejorar la sensibilidad de sensores magnéticos en chips y el incremento, en varios órdenes de magnitud, de la sensibilidad de los detectores de axiones. Introducir y ejemplificar esta herramienta para abordar desafíos en tecnologías emergentes no solo demuestra su utilidad en estas aplicaciones específicas, sino que también proporciona una intuición sobre cómo puede aplicarse en otros campos que requieran campos magnéticos precisos y controlados.

Magnetism is a key interacting force in the universe on which many natural and technological processes rely. Developing novel methods to manipulate this field could lead to significant advancements in the understanding of basic physics, as well as in the generation and upgrading of cutting-edge technologies. In this thesis, we present a toolbox to manipulate magnetic fields using ideal magnetic materials to achieve precise and controlled distributions, while also achieving other beneficial side effects. Furthermore, we describe how real materials, such as superconductors and soft ferromagnets, can replicate these ideal materials under certain conditions. These concepts are demonstrated analytically, numerically, and experimentally. To show how this framework can be applied to real-world scenarios, we have also explored how it can be introduced to four practical cases of distinct topic, scale, and development stage, demonstrating its broad applicability. These applications include manipulating the magnetic field to meet specific requirements for stably confining plasma in fusion reactors, precisely shaping the magnetic field landscape to levitate superconducting microscopic particles, concentrating the magnetic field in-plane to enhance the sensitivity of an in-chip magnetic sensor, and increasing the sensitivity of axion detectors by orders of magnitude. Introducing and exemplifying this toolbox to address challenges in emerging technologies not only demonstrates its usefulness for these specific specific applications but also provides intuition on how it can be applied to other fields requiring accurate and precise magnetic fields.