Wissenschaftler haben einen Schritt in Richtung der Entwicklung leistungsstarker Geräte gemacht, diemagnetisch Ladung durch die Schaffung der ersten dreidimensionalen Nachbildung eines Materials, das als Spin-Eis bekannt ist.
Spineis-Materialien sind äußerst ungewöhnlich, da sie sogenannte Defekte aufweisen, die sich wie der einzelne Pol eines Magneten verhalten.
Diese einpoligen Magnete, auch magnetische Monopole genannt, kommen in der Natur nicht vor. Wenn jedes magnetische Material in zwei Hälften geschnitten wird, entsteht immer ein neuer Magnet mit einem Nord- und einem Südpol.
Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler überall nach Beweisen für natürlich vorkommendemagnetisch Monopole in der Hoffnung, die fundamentalen Kräfte der Natur schließlich in einer sogenannten Theorie von allem zusammenzufassen und so die gesamte Physik unter einem Dach zu vereinen.
In den letzten Jahren ist es Physikern jedoch gelungen, durch die Schaffung zweidimensionaler Spin-Eis-Materialien künstliche Versionen eines magnetischen Monopols zu erzeugen.
Bisher wurde mit diesen Strukturen ein magnetischer Monopol nachgewiesen, doch ist es unmöglich, die gleiche Physik zu erreichen, wenn das Material auf eine einzige Ebene beschränkt ist. Tatsächlich ist es die spezifische dreidimensionale Geometrie des Spin-Eis-Gitters, die für seine ungewöhnliche Fähigkeit entscheidend ist, winzige Strukturen zu erzeugen, diemagnetischMonopole.
In einer neuen Studie, die heute in Nature Communications veröffentlicht wurde, hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Cardiff University mithilfe einer hochentwickelten Art des 3D-Drucks und der 3D-Verarbeitung die erste 3D-Nachbildung eines Spin-Eis-Materials erstellt.
Das Team sagt, dass die 3D-Drucktechnologie es ihnen ermöglicht hat, die Geometrie des künstlichen Spin-Eises anzupassen, was bedeutet, dass sie die Art und Weise steuern können, wie die magnetischen Monopole in den Systemen gebildet und bewegt werden.
Die Möglichkeit, die Mini-Monopolmagnete in 3D zu manipulieren, könnte ihrer Meinung nach eine ganze Reihe von Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, von verbesserter Computerspeicherung bis hin zur Schaffung von 3D-Computernetzwerken, die die neuronale Struktur des menschlichen Gehirns nachahmen.
„Seit über zehn Jahren erzeugen und untersuchen Wissenschaftler künstliches Spin-Eis in zwei Dimensionen. Durch die Erweiterung solcher Systeme auf dreidimensionale Systeme erhalten wir eine viel genauere Darstellung der Spin-Eis-Monopolphysik und können den Einfluss von Oberflächen untersuchen“, sagte der Hauptautor Dr. Sam Ladak von der Fakultät für Physik und Astronomie der Cardiff University.
„Dies ist das erste Mal, dass es jemandem gelungen ist, eine exakte 3D-Nachbildung eines Spin-Eises im Nanomaßstab zu erstellen.“
Das künstliche Spin-Eis wurde mithilfe modernster 3D-Nanofabrikationstechniken hergestellt, bei denen winzige Nanodrähte in vier Schichten in einer Gitterstruktur gestapelt wurden, die insgesamt weniger als die Breite eines menschlichen Haares maß.
Anschließend wurde eine spezielle Art der Mikroskopie, die sogenannte Magnetkraftmikroskopie, die auf Magnetismus reagiert, verwendet, um die auf dem Gerät vorhandenen magnetischen Ladungen zu visualisieren, wodurch das Team die Bewegung der einpoligen Magnete über die 3D-Struktur verfolgen konnte.
„Unsere Arbeit ist wichtig, da sie zeigt, dass 3D-Drucktechnologien im Nanomaßstab verwendet werden können, um Materialien nachzuahmen, die normalerweise chemisch synthetisiert werden“, fuhr Dr. Ladak fort.
„Letztendlich könnte diese Arbeit ein Mittel zur Herstellung neuartiger magnetischer Metamaterialien bieten, bei denen die Materialeigenschaften durch die Steuerung der 3D-Geometrie eines künstlichen Gitters abgestimmt werden.
Magnetische Speichergeräte wie Festplatten oder magnetische Direktzugriffsspeicher sind ein weiterer Bereich, der von diesem Durchbruch massiv beeinflusst werden könnte. Da aktuelle Geräte nur zwei der drei verfügbaren Dimensionen nutzen, begrenzt dies die speicherbare Informationsmenge. Da sich die Monopole mithilfe eines Magnetfelds im 3D-Gitter bewegen lassen, könnte die Entwicklung eines echten 3D-Speichergeräts auf Basis magnetischer Ladung möglich sein.
Beitragszeit: 28. Mai 2021