Forskere har taget et skridt i retning af at skabe kraftfulde enheder, der udnyttermagnetisk opladning ved at skabe den første tredimensionelle kopi nogensinde af et materiale kendt som spin-is.
Spin-ismaterialer er ekstremt usædvanlige, da de besidder såkaldte defekter, der opfører sig som den enkelte pol i en magnet.
Disse enkeltpolsmagneter, også kendt som magnetiske monopoler, findes ikke i naturen; når ethvert magnetisk materiale deles i to, vil det altid skabe en ny magnet med en nordpol og en sydpol.
I årtier har forskere ledt vidt og bredt efter beviser for naturligt forekommendemagnetisk monopoler i håb om endelig at gruppere naturens grundlæggende kræfter i en såkaldt teori om alting, der samler al fysik under ét tag.
I de senere år er det imidlertid lykkedes fysikere at producere kunstige versioner af en magnetisk monopol ved at skabe todimensionelle spin-is-materialer.
Indtil videre har disse strukturer med succes demonstreret en magnetisk monopol, men det er umuligt at opnå den samme fysik, når materialet er begrænset til et enkelt plan. Det er faktisk den specifikke tredimensionelle geometri af spin-is-gitteret, der er nøglen til dets usædvanlige evne til at skabe bittesmå strukturer, der efterlignermagnetiskmonopoler.
I et nyt studie, der i dag er offentliggjort i Nature Communications, har et team ledet af forskere ved Cardiff University skabt den allerførste 3D-kopi af et spin-is-materiale ved hjælp af en sofistikeret type 3D-printning og -behandling.
Holdet siger, at 3D-printteknologien har gjort det muligt for dem at skræddersy geometrien af den kunstige spin-is, hvilket betyder, at de kan kontrollere, hvordan de magnetiske monopoler dannes og bevæges rundt i systemerne.
De siger, at det at kunne manipulere de mini-monopolmagneter i 3D kan åbne op for en lang række anvendelser, lige fra forbedret computerlagring til oprettelsen af 3D-computernetværk, der efterligner den neurale struktur i den menneskelige hjerne.
"I over 10 år har forskere skabt og studeret kunstig spin-is i to dimensioner. Ved at udvide sådanne systemer til tre dimensioner får vi en langt mere præcis repræsentation af spin-is monopolfysik og er i stand til at studere overfladers påvirkning," sagde hovedforfatter Dr. Sam Ladak fra Cardiff Universitys School of Physics and Astronomy.
"Dette er første gang, at nogen har været i stand til at skabe en nøjagtig 3D-kopi af en spin-is, designmæssigt, på nanoskala."
Den kunstige spin-is blev skabt ved hjælp af avancerede 3D-nanofabrikationsteknikker, hvor små nanotråde blev stablet i fire lag i en gitterstruktur, som i sig selv målte mindre end et menneskehårs samlede bredde.
En særlig type mikroskopi kendt som magnetisk kraftmikroskopi, som er følsom over for magnetisme, blev derefter brugt til at visualisere de magnetiske ladninger, der er til stede på enheden, hvilket gjorde det muligt for holdet at spore bevægelsen af de enkeltpolede magneter på tværs af 3D-strukturen.
"Vores arbejde er vigtigt, da det viser, at 3D-printteknologier på nanoskala kan bruges til at efterligne materialer, der normalt syntetiseres via kemi," fortsatte Dr. Ladak.
"I sidste ende kan dette arbejde give et middel til at producere nye magnetiske metamaterialer, hvor materialeegenskaberne justeres ved at kontrollere 3D-geometrien af et kunstigt gitter."
"Magnetiske lagringsenheder, såsom harddiske eller magnetiske RAM-enheder, er et andet område, der kan blive massivt påvirket af dette gennembrud. Da nuværende enheder kun bruger to ud af de tre tilgængelige dimensioner, begrænser dette mængden af information, der kan lagres. Da monopolerne kan flyttes rundt i 3D-gitteret ved hjælp af et magnetfelt, kan det være muligt at skabe en ægte 3D-lagringsenhed baseret på magnetisk ladning."
Opslagstidspunkt: 28. maj 2021