Naukowcy zrobili krok w kierunku stworzenia potężnych urządzeń, które wykorzystują ładunek magnetyczny, tworząc pierwszą w historii trójwymiarową replikę materiału znanego jako lód spinowy.
Materiały z lodu spinowego są niezwykle niezwykłe, ponieważ posiadają tak zwane defekty, które zachowują się jak pojedynczy biegun magnesu.
Te jednobiegunowe magnesy, znane również jako monopole magnetyczne, nie istnieją w naturze;kiedy każdy materiał magnetyczny zostanie pocięty na dwie części, zawsze wytworzy nowy magnes z biegunem północnym i południowym.
Przez dziesięciolecia naukowcy szukali dowodow nanaturalnie występujące monopole magnetyczne w nadziei, że ostatecznie zgrupują fundamentalne siły natury w tak zwaną teorię wszystkiego, umieszczając całą fizykę pod jednym dachem.
Jednak w ostatnich latach fizykom udało się wyprodukować sztuczne wersje monopolu magnetycznego poprzez tworzenie dwuwymiarowych materiałów spinowo-lodowych.
Do tej pory struktury te z powodzeniem wykazały monopol magnetyczny, ale niemożliwe jest uzyskanie takiej samej fizyki, gdy materiał jest ograniczony do jednej płaszczyzny.Rzeczywiście, to właśnie specyficzna trójwymiarowa geometria sieci spinowo-lodowej jest kluczem do jej niezwykłej zdolności do tworzenia maleńkich struktur naśladujących monopole magnetyczne.
W nowym badaniu opublikowanym dzisiaj w Nature Communications zespół kierowany przez naukowców z Cardiff University stworzył pierwszą w historii replikę 3D materiału z lodu spinowego, wykorzystując wyrafinowany rodzaj drukowania i przetwarzania 3D.
Zespół twierdzi, że technologia druku 3D pozwoliła im dostosować geometrię sztucznego lodu spinowego, co oznacza, że mogą kontrolować sposób, w jaki powstają i poruszają się monopole magnetyczne w systemach.
Możliwość manipulowania miniaturowymi magnesami monopolowymi w 3D może otworzyć cały szereg zastosowań, ich zdaniem, od ulepszonej pamięci masowej komputera po tworzenie sieci obliczeniowych 3D, które naśladują strukturę neuronową ludzkiego mózgu.
„Od ponad 10 lat naukowcy tworzą i badają sztuczny lód spinowy w dwóch wymiarach.Rozszerzając takie systemy na trójwymiarowe, uzyskujemy znacznie dokładniejsze odwzorowanie fizyki monopolu spin-lodu i jesteśmy w stanie badać wpływ powierzchni” – powiedział główny autor, dr Sam Ladak z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Cardiff.
„To pierwszy raz, kiedy komukolwiek udało się stworzyć dokładną trójwymiarową replikę lodu spinowego, zgodnie z projektem, w nanoskali”.
Sztuczny lód spinowy został stworzony przy użyciu najnowocześniejszych technik nanowytwarzania 3D, w których maleńkie nanodruty układano w cztery warstwy w strukturze sieciowej, która sama mierzyła mniej niż ogólna szerokość ludzkiego włosa.
Następnie do wizualizacji ładunków magnetycznych obecnych na urządzeniu wykorzystano specjalny rodzaj mikroskopii znany jako mikroskopia sił magnetycznych, który jest wrażliwy na magnetyzm, umożliwiając zespołowi śledzenie ruchu jednobiegunowych magnesów w strukturze 3D.
„Nasza praca jest ważna, ponieważ pokazuje, że technologie druku 3D w nanoskali mogą być wykorzystywane do naśladowania materiałów, które zwykle są syntetyzowane za pomocą chemii” – kontynuuje dr Ladak.
„Ostatecznie ta praca może dostarczyć środków do produkcji nowych metamateriałów magnetycznych, w których właściwości materiału są dostosowywane poprzez kontrolowanie geometrii 3D sztucznej sieci.
„Magnetyczne urządzenia pamięci masowej, takie jak dysk twardy lub magnetyczne urządzenia pamięci o dostępie swobodnym, to kolejny obszar, na który ten przełom może poważnie wpłynąć.Ponieważ obecne urządzenia wykorzystują tylko dwa z trzech dostępnych wymiarów, ogranicza to ilość informacji, które można przechowywać.Ponieważ monopole można przesuwać po siatce 3D za pomocą pola magnetycznego, możliwe jest stworzenie prawdziwego urządzenia pamięci 3D opartego na ładunku magnetycznym.
Czas publikacji: 28 maja-2021