Ученые сделали шаг к созданию мощных устройств, использующих магнитный заряд, создав первую в истории трехмерную копию материала, известного как спин-лед.
Материалы спинового льда чрезвычайно необычны, поскольку они обладают так называемыми дефектами, которые ведут себя как одиночный полюс магнита.
Эти однополюсные магниты, также известные как магнитные монополи, не существуют в природе;когда каждый магнитный материал разрезается на две части, он всегда создает новый магнит с северным и южным полюсами.
Десятилетиями ученые повсюду искали доказательства существования естественных магнитных монополий в надежде наконец сгруппировать фундаментальные силы природы в так называемую теорию всего, поместив всю физику под одну крышу.
Однако в последние годы физикам удалось создать искусственные версии магнитного монополя путем создания двумерных материалов спинового льда.
На сегодняшний день эти структуры успешно продемонстрировали магнитный монополь, но невозможно получить ту же физику, когда материал ограничен одной плоскостью.Действительно, именно трехмерная геометрия решетки спинового льда является ключом к ее необычной способности создавать крошечные структуры, имитирующие магнитные монополи.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, группа ученых из Университета Кардиффа создала первую в истории 3D-копию материала спинового льда, используя сложный тип 3D-печати и обработки.
Команда говорит, что технология 3D-печати позволила им адаптировать геометрию искусственного спинового льда, а это означает, что они могут контролировать способ формирования и перемещения магнитных монополей в системах.
По их словам, возможность манипулировать мини-монопольными магнитами в 3D может открыть целый ряд приложений, от расширенного компьютерного хранилища до создания сетей 3D-вычислений, которые имитируют нейронную структуру человеческого мозга.
«Более 10 лет ученые создают и изучают искусственный спин-лед в двух измерениях.Расширяя такие системы до трех измерений, мы получаем гораздо более точное представление о физике монополей спинового льда и можем изучать влияние поверхностей», — сказал ведущий автор доктор Сэм Ладак из Школы физики и астрономии Университета Кардиффа.
«Это первый случай, когда кому-либо удалось создать точную трехмерную копию спинового льда по замыслу в наномасштабе».
Искусственный спин-лед был создан с использованием самых современных технологий трехмерного нанопроизводства, в которых крошечные нанопроволоки были уложены в четыре слоя в решетчатой структуре, которая сама по себе была меньше ширины человеческого волоса.
Затембылиспользованспециальныйтипмикроскопии,известный как магнитно-силовая микроскопия, который чувствителен к магнетизму, для визуализации магнитных зарядов, присутствующих в устройстве, что позволило команде отслеживать движение однополюсных магнитов по трехмерной структуре.
«Наша работа важна, поскольку она показывает, что технологии наноразмерной 3D-печати можно использовать для имитации материалов, которые обычно синтезируются с помощью химии», — продолжил доктор Ладак.
«В конечном счете, эта работа может предоставить средства для производства новых магнитных метаматериалов, в которых свойства материала настраиваются путем управления трехмерной геометрией искусственной решетки.
«Магнитные запоминающие устройства, такие как жесткие диски или магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом, — это еще одна область, на которую может оказать огромное влияние этот прорыв.Поскольку современные устройства используют только два из трех доступных измерений, это ограничивает объем информации, которую можно сохранить.Поскольку монополи можно перемещать по трехмерной решетке с помощью магнитного поля, можно создать настоящий трехмерный накопитель на основе магнитного заряда».
Время публикации: 28 мая 2021 г.