En Halbach-array är ett specifikt arrangemang av en serie permanentmagneter. Arrayen har ett spatialt roterande mönster av magnetism som upphäver fältet på ena sidan, men förstärker det på den andra. De främsta fördelarna med Halbach-matriser är att de kan producera starka magnetfält på ena sidan samtidigt som de skapar ett mycket litet ströfält på den motsatta sidan. Denna effekt förstås bäst genom att observera den magnetiska flödesfördelningen.
Remsor av ferromagnetiska material (material som kan magnetiseras permanent) med alternerande magnetiseringar kombineras så att magnetfälten riktar in sig ovanför kompositstrukturens plan, medan fälten under strukturen är i motsatta riktningar och tar ut. Mer exakt är magnetiseringens alternerande komponenter p/2 eller 90our fas.
I det ideala fallet, visat ovan, skulle denna överlagring producera ett fält ovanför planet som är dubbelt så stort som om strukturen vore likformigt magnetiserad, och inget fält under planet. Men i verkligheten observeras aldrig det ideala fallet och ett mycket litet fält produceras på undersidan. Detta arrangemang kan fortsätta på obestämd tid för att producera stora arrayer.
Dessa "ensidiga flux"-strukturer upptäcktes först av John C. Mallinson 1973, som beskrev dem som "kuriosa" med potential att förbättra magnetbandsinspelningstekniken. Men deras verkliga potential förverkligades inte förrän på 1980-talet, när Berkley-fysikern Klaus Halbach självständigt återupptäckte detta magnetiska fenomen och skapade Halbach-matriser för användning i partikelacceleratorer. Halbach producerade matriserna med det ferromagnetiska materialet kobolt för att generera starka magnetfält för fokusering och styra partikelacceleratorns strålar.
Halbach-matriser har nu många applikationer och används i en rad system av varierande komplexitet. En av de enklaste tillämpningarna av Halbach-arrayer är i kylskåpsmagneter. I detta fall utnyttjas de ensidiga flödesegenskaperna för att öka magnetens hållkraft. Variabla uppsättningar av magnetiska stavar kan också kombineras för att skapa enkla låssystem. Om stavarnas magnetiseringar är arrangerade så att fältet maximeras ovanför planet och minimeras under det, kan flödesinneslutningen vändas genom att rotera varje stav 90o.
Ett mer avancerat exempel på en Halbach-array i aktion är i en Maglev-tågspår eller Inducttrack, där magnetisk levitation används för att stödja vagnen. De magnetiska arrayerna lyfter tåget en liten bit ovanför spåret och kan bära en vikt på upp till 50 gånger magnetens vikt. Operationen bygger på principen om induktion; när matrisen passeras över de metalliska spårspolarna, inducerar variationerna i magnetfältet en spänning i spåret. Spåret skapar sedan sitt eget magnetiska fält och, på samma sätt som när du försöker trycka ihop de två lika polerna av stångmagneter, när detta fält är i linje med fältet som produceras av Halbach-arrayen, får repulsion tåget att sväva. Maglev-tåg lider inte av många av de friktionskrafter som bromsar traditionella hjulförsedda tåg och kan tillhandahålla höghastighetstransporter. Faktum är att det japanska tågsystemet SCMaglev, som nådde 361 mph 2003, har för närvarande Guinness världsrekord för den snabbaste järnvägstransporten.
Halbach-matriser används också i avancerade vetenskapliga experiment som synkrotroner och frielektronlasrar (FELs), där de är kända som Halbach "wigglers". FELs har ett mycket brett och mycket inställbart frekvensområde och används i många applikationer, från medicinska till militära. En Halbach wiggler är en av kärnkomponenterna i en FEL, där arrayens magnetfält används för att periodiskt "vicka" en stråle av laddade partiklar (vanligtvis elektroner). Vicklingseffekten orsakar en förändring i riktningen och därför en förändring i partiklarnas acceleration. Detta leder i sin tur till emission av högintensiv synkrotronstrålning (fotoner) i kombination med en extern laserkälla.
Det är också möjligt att skapa Halbach cylindrar och ringar, där magnetfältet är starkt inuti ringen eller cylindern men försumbart utanför, eller vice versa beroende på placeringen av magneter. Dessa strukturer används vanligtvis för borstlösa AC-motorer, där traditionellt ströfält kan minska vridmoment och effektivitet. Men eftersom Halbach-cylindrar är inbyggt skärmade av sin struktur, med nästan allt flussmedel som finns i mitten, kan de undvika detta problem och producera högre vridmoment.