Uma matriz Halbach é um arranjo específico de uma série de ímãs permanentes. A matriz tem um padrão de magnetismo espacialmente rotativo que cancela o campo de um lado, mas o aumenta do outro. As principais vantagens dos arrays Halbach são que eles podem produzir campos magnéticos fortes em um lado, enquanto criam um campo disperso muito pequeno no lado oposto. Este efeito é melhor compreendido observando a distribuição do fluxo magnético.
Tiras de materiais ferromagnéticos (materiais que podem ser permanentemente magnetizados) com magnetizações alternadas são combinadas de tal forma que os campos magnéticos se alinham acima do plano da estrutura composta, enquanto abaixo da estrutura os campos estão em direções opostas e se cancelam. Mais precisamente, os componentes alternados da magnetização são p/2 ou 90ofora de fase.
No caso ideal, mostrado acima, essa superposição produziria um campo acima do plano duas vezes maior do que se a estrutura fosse uniformemente magnetizada, e nenhum campo abaixo do plano. No entanto, na realidade, o caso ideal nunca é observado e um campo muito pequeno é produzido na parte inferior. Este arranjo pode ser continuado indefinidamente para produzir grandes matrizes.
Essas estruturas de "fluxo unilateral" foram descobertas pela primeira vez por John C. Mallinson em 1973, que as descreveu como "curiosidades" com potencial para melhorar a tecnologia de gravação em fita magnética. No entanto, seu verdadeiro potencial não foi realizado até a década de 1980, quando o físico de Berkley Klaus Halbach redescobriu independentemente esse fenômeno magnético e criou matrizes Halbach para uso em aceleradores de partículas. Halbach produziu as matrizes usando o material ferromagnético cobalto para gerar campos magnéticos fortes para focar e dirigir os feixes do acelerador de partículas.
Os arrays Halbach agora têm muitas aplicações e são usados em uma variedade de sistemas de complexidade variável. Uma das aplicações mais simples das matrizes Halbach é em ímãs de geladeira. Neste caso, as propriedades de fluxo unilateral são exploradas para aumentar o poder de retenção do ímã. Matrizes variáveis de hastes magnéticas também podem ser combinadas para criar sistemas de travamento simples. Se as magnetizações das hastes estiverem dispostas de modo que o campo seja maximizado acima do plano e minimizado abaixo dele, o confinamento de fluxo pode ser invertido girando cada haste 90o.
Um exemplo mais avançado de uma matriz Halbach em ação está em um trilho de trem Maglev ou Inductrack, onde a levitação magnética é usada para apoiar o vagão. As matrizes magnéticas levantam o trem a uma pequena distância acima dos trilhos e podem suportar um peso de até 50 vezes o peso do ímã. A operação é baseada no princípio da indução; à medida que a matriz é passada sobre as bobinas metálicas da pista, as variações no campo magnético induzem uma tensão na pista. A pista então cria seu próprio campo magnético e, da mesma forma que quando você tenta empurrar os dois pólos semelhantes de ímãs de barra, quando esse campo se alinha com o campo produzido pela matriz Halbach, a repulsão faz com que o trem levite. Os trens Maglev não sofrem com muitas das forças de atrito que retardam os trens de rodas tradicionais e são capazes de fornecer transporte de alta velocidade. Na verdade, o sistema de trem japonês SCMaglev, que atingiu 361 mph em 2003, atualmente detém o Recorde Mundial do Guinness para o transporte ferroviário mais rápido.
As matrizes de Halbach também são usadas em experimentos científicos avançados, como síncrotrons e lasers de elétrons livres (FELs), onde são conhecidos como 'wigglers' de Halbach. Os FELs têm uma faixa de frequência muito ampla e altamente ajustável e são usados em muitas aplicações, desde médicas a militares. Um wiggler Halbach é um dos componentes principais de um FEL, onde o campo magnético da matriz é usado para 'mexerem' periodicamente um feixe de partículas carregadas (geralmente elétrons). O efeito oscilante causa uma mudança na direção e, portanto, uma mudança na aceleração das partículas. Isso, por sua vez, leva à emissão de radiação síncrotron de alta intensidade (fótons) quando combinado com uma fonte externa de laser.
Também é possível criar cilindros e anéis Halbach, onde o campo magnético é forte dentro do anel ou cilindro, mas insignificante fora, ou vice-versa, dependendo da disposição dos ímãs. Essas estruturas são normalmente usadas para motores CA sem escovas, onde tradicionalmente campos dispersos podem reduzir o torque e a eficiência. No entanto, como os cilindros Halbach são intrinsecamente blindados por sua estrutura, com quase todo o fluxo contido no centro, eles são capazes de evitar esse problema e produzir torques mais altos.