Wissenschaftler haben einen Schritt in Richtung der Entwicklung leistungsstarker Geräte gemacht, die diese nutzenmagnetisch Ladung durch die Erstellung der ersten dreidimensionalen Nachbildung eines Materials, das als Spin-Ice bekannt ist.
Spin-Eis-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 Teile geschnitten wird, entsteht immer ein neuer Magnet mit einem Nord- und einem Südpol.
Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler weit und breit nach Beweisen dafür, dass es in der Natur vorkommtmagnetisch Monopole in der Hoffnung, die Grundkräfte der Natur endlich in einer sogenannten Allestheorie zusammenzufassen und 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 herzustellen.
Bisher haben diese Strukturen erfolgreich ein magnetisches Monopol nachgewiesen, aber es ist 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, winzige, nachahmende Strukturen zu erzeugen, ausschlaggebend istmagnetischMonopole.
In einer neuen Studie, die heute in Nature Communications veröffentlicht wurde, hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Cardiff die erste 3D-Nachbildung eines Spin-Ice-Materials mithilfe einer hochentwickelten Art des 3D-Drucks und der Verarbeitung erstellt.
Das Team sagt, dass die 3D-Drucktechnologie es ihnen ermöglicht hat, die Geometrie des künstlichen Spineises anzupassen, was bedeutet, dass sie die Art und Weise steuern können, wie die magnetischen Monopole gebildet und in den Systemen bewegt werden.
Die Möglichkeit, die Mini-Monopolmagnete in 3D zu manipulieren, könnte ihrer Meinung nach eine ganze Reihe von Anwendungen eröffnen, von verbesserter Computerspeicherung bis hin zur Schaffung von 3D-Rechnernetzwerken, die die neuronale Struktur des menschlichen Gehirns nachahmen.
„Seit über 10 Jahren erschaffen und untersuchen Wissenschaftler künstliches Spin-Eis in zwei Dimensionen.Durch die Erweiterung solcher Systeme auf drei Dimensionen erhalten wir eine viel genauere Darstellung der Spineis-Monopolphysik und können den Einfluss von Oberflächen untersuchen“, sagte Hauptautor Dr. Sam Ladak von der School of Physics and Astronomy der Cardiff University.
„Dies ist das erste Mal, dass es jemandem gelungen ist, per Design 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 misst.
Anschließend wurde eine spezielle Art der Mikroskopie namens Magnetkraftmikroskopie verwendet, die empfindlich auf Magnetismus reagiert, um die auf dem Gerät vorhandenen magnetischen Ladungen sichtbar zu machen, sodass das Team die Bewegung der einpoligen Magnete über die 3D-Struktur verfolgen konnte.
„Unsere Arbeit ist wichtig, da sie zeigt, dass nanoskalige 3D-Drucktechnologien verwendet werden können, um Materialien nachzuahmen, die normalerweise über Chemie 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 betroffen sein könnte.Da aktuelle Geräte nur zwei der drei verfügbaren Dimensionen nutzen, ist die Menge der speicherbaren Informationen begrenzt.Da die Monopole mithilfe eines Magnetfelds um das 3D-Gitter bewegt werden können, könnte es möglich sein, ein echtes 3D-Speichergerät basierend auf magnetischer Ladung zu erstellen.“
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. Mai 2021