นักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปสู่การสร้างอุปกรณ์ทรงพลังที่ควบคุมประจุแม่เหล็กโดยการสร้างแบบจำลองสามมิติของวัสดุที่เรียกว่าสปิน-ไอซ์เป็นครั้งแรก
วัสดุน้ำแข็งปั่นเป็นสิ่งที่ผิดปกติอย่างยิ่ง เนื่องจากมีข้อบกพร่องที่เรียกว่าขั้วเดียวของแม่เหล็ก
แม่เหล็กขั้วเดียวเหล่านี้หรือที่เรียกว่าแม่เหล็กโมโนโพลไม่มีอยู่ในธรรมชาติเมื่อวัสดุแม่เหล็กทุกชิ้นถูกตัดออกเป็นสองส่วน มันจะสร้างแม่เหล็กใหม่ที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้เสมอ
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหาหลักฐานของโมโนโพลแม่เหล็กที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยหวังว่าจะจัดกลุ่มกองกำลังพื้นฐานของธรรมชาติให้เป็นทฤษฎีที่เรียกว่าทุกสิ่ง รวบรวมฟิสิกส์ทั้งหมดไว้ใต้หลังคาเดียวกัน
อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์สามารถผลิตโมโนโพลแม่เหล็กรุ่นเทียมผ่านการสร้างวัสดุสปิน-ไอซ์แบบสองมิติ
จนถึงปัจจุบันโครงสร้างเหล่านี้ได้แสดงให้เห็นความสำเร็จของโมโนโพลแม่เหล็ก แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับฟิสิกส์เดียวกันเมื่อวัสดุถูกกักขังอยู่ในระนาบเดียวอันที่จริง มันคือเรขาคณิตสามมิติเฉพาะของโครงตาข่ายสปิน-ไอซ์ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างโครงสร้างเล็กๆ ที่เลียนแบบโมโนโพลแม่เหล็ก
ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน Nature Communications ทีมที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ได้สร้างแบบจำลอง 3 มิติครั้งแรกของวัสดุปั่นน้ำแข็งโดยใช้การพิมพ์และการประมวลผล 3 มิติที่ซับซ้อน
ทีมงานกล่าวว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้อนุญาตให้พวกเขาปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตของสปินน้ำแข็งเทียม ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถควบคุมวิธีสร้างโมโนโพลแม่เหล็กและเคลื่อนที่ไปมาในระบบได้
ความสามารถในการจัดการแม่เหล็กโมโนโพลขนาดเล็กในแบบ 3 มิติสามารถเปิดแอปพลิเคชันทั้งหมดที่พวกเขากล่าวได้ตั้งแต่การจัดเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงไปจนถึงการสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์ 3 มิติที่เลียนแบบโครงสร้างประสาทของสมองมนุษย์
“กว่า 10 ปีที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสรรค์และศึกษาสปินน้ำแข็งเทียมในสองมิติการขยายระบบดังกล่าวเป็นสามมิติทำให้เราได้ภาพฟิสิกส์โมโนโพลสปินไอซ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น และสามารถศึกษาผลกระทบของพื้นผิวได้” ดร. แซม ลาดัก หัวหน้าทีมวิจัยจากโรงเรียนฟิสิกส์และดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ กล่าว
"นี่เป็นครั้งแรกที่ทุกคนสามารถสร้างแบบจำลอง 3 มิติที่แน่นอนของสปิน-ไอซ์ได้ โดยการออกแบบในระดับนาโน"
น้ำแข็งปั่นประดิษฐ์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตนาโน 3 มิติที่ล้ำสมัย ซึ่งลวดนาโนขนาดเล็กถูกวางซ้อนกันเป็นสี่ชั้นในโครงสร้างตาข่าย ซึ่งตัวมันเองวัดได้น้อยกว่าความกว้างโดยรวมของเส้นผมมนุษย์
กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็ก ซึ่งมีความไวต่อสนามแม่เหล็ก ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพประจุแม่เหล็กที่มีอยู่ในอุปกรณ์ ทำให้ทีมสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กขั้วเดียวในโครงสร้าง 3 มิติ
“งานของเรามีความสำคัญ เนื่องจากแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติระดับนาโนสามารถใช้เพื่อเลียนแบบวัสดุที่มักจะสังเคราะห์ด้วยเคมีได้” ดร.ลัดดัก กล่าว
“ในที่สุดงานนี้อาจเป็นวิธีในการผลิต超材料แม่เหล็กแบบใหม่ ซึ่งคุณสมบัติของวัสดุจะถูกปรับโดยการควบคุมรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติของโครงตาข่ายประดิษฐ์
“อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแม่เหล็ก เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์หรืออุปกรณ์หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแม่เหล็ก เป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่อาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากการพัฒนาครั้งนี้เนื่องจากอุปกรณ์ปัจจุบันใช้เพียงสองในสามมิติที่มีอยู่ จึงจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บได้เนื่องจากโมโนโพลสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ โครงตาข่าย 3 มิติได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก จึงอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล 3 มิติที่แท้จริงโดยอาศัยประจุแม่เหล็ก”
โพสต์เวลา: 28 พฤษภาคม-2021