מדענים עשו צעד קדימה לקראת יצירת מכשירים רבי עוצמה המנצליםמַגנֶטִי טעינה על ידי יצירת העתק תלת-ממדי ראשון אי פעם של חומר המכונה ספין-קרח.
חומרי קרח ספין הם יוצאי דופן ביותר מכיוון שיש להם מה שנקרא פגמים אשר מתנהגים כקוטב יחיד של מגנט.
מגנטים חד-קוטביים אלה, המכונים גם מונופולים מגנטיים, אינם קיימים בטבע; כאשר כל חומר מגנטי נחתך לשניים, הוא תמיד ייצור מגנט חדש עם קוטב צפוני וקוטב דרומי.
במשך עשרות שנים חיפשו מדענים ראיות לתופעות טבעיות רבותמַגנֶטִי מונופולים בתקווה סוף סוף לקבץ את כוחות הטבע הבסיסיים לתוך מה שנקרא תיאוריה של הכל, ולשים את כל הפיזיקה תחת קורת גג אחת.
עם זאת, בשנים האחרונות הצליחו פיזיקאים לייצר גרסאות מלאכותיות של מונופול מגנטי באמצעות יצירת חומרי ספין-קרח דו-ממדיים.
עד היום מבנים אלה הצליחו להדגים מונופול מגנטי, אך בלתי אפשרי להשיג את אותה פיזיקה כאשר החומר מוגבל למישור יחיד. ואכן, הגיאומטריה התלת-ממדית הספציפית של סריג הספין-קרח היא המפתח ליכולתו יוצאת הדופן ליצור מבנים זעירים המחקיםמַגנֶטִימונופולים.
במחקר חדש שפורסם היום ב-Nature Communications, צוות בראשות מדענים מאוניברסיטת קארדיף יצר את העתק התלת-ממדי הראשון אי פעם של חומר ספין-קרח באמצעות סוג מתוחכם של הדפסה ועיבוד תלת-ממדי.
הצוות אומר שטכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית אפשרה להם להתאים אישית את הגיאומטריה של הספין-קרח המלאכותי, כלומר הם יכולים לשלוט באופן שבו המונופולים המגנטיים נוצרים ומוזזים במערכות.
היכולת לתפעל את המגנטים המיניאטוריים המונופולים בתלת-ממד יכולה לפתוח מגוון שלם של יישומים, הם אומרים, החל מאחסון מחשב משופר ועד ליצירת רשתות מחשוב תלת-ממדיות המחקות את המבנה העצבי של המוח האנושי.
"במשך למעלה מ-10 שנים מדענים יצרו וחוקרים קרח ספין מלאכותי בשני ממדים. על ידי הרחבת מערכות כאלה לתלת ממדים אנו משיגים ייצוג מדויק הרבה יותר של פיזיקת מונופול של קרח ספין ומסוגלים לחקור את השפעת המשטחים", אמר המחבר הראשי ד"ר סם לדאק מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה של אוניברסיטת קארדיף.
"זוהי הפעם הראשונה שמישהו הצליח ליצור העתק תלת-ממדי מדויק של קרח ספין, בתכנון, בקנה מידה ננומטרי."
הקרח המלאכותי נוצר באמצעות טכניקות ננו-ייצור תלת-ממדיות חדישות, בהן ננו-חוטים זעירים נערמו לארבע שכבות במבנה סריג, אשר עצמו נמדד ברוחב כולל של פחות משערת אדם.
סוג מיוחד של מיקרוסקופיה המכונה מיקרוסקופיית כוח מגנטי, הרגישה למגנטיות, שימש לאחר מכן כדי להמחיש את המטענים המגנטיים הקיימים על המכשיר, מה שאפשר לצוות לעקוב אחר תנועת המגנטים החד-קוטביים על פני המבנה התלת-ממדי.
"העבודה שלנו חשובה משום שהיא מראה כי ניתן להשתמש בטכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות בקנה מידה ננומטרי כדי לחקות חומרים שבדרך כלל מסונתזים באמצעות כימיה", המשיך ד"ר לדאק.
"בסופו של דבר, עבודה זו יכולה לספק אמצעי לייצור מטא-חומרים מגנטיים חדשים, שבהם תכונות החומר מכוונות על ידי שליטה בגיאומטריה התלת-ממדית של סריג מלאכותי."
"התקני אחסון מגנטיים, כגון כונן דיסק קשיח או התקני זיכרון גישה אקראית מגנטיים, הם תחום נוסף שעשוי להיות מושפע באופן דרמטי מפריצת דרך זו. מכיוון שההתקנים הנוכחיים משתמשים רק בשניים מתוך שלושת הממדים הזמינים, הדבר מגביל את כמות המידע שניתן לאחסן. מכיוון שניתן להזיז את המונופולים סביב הסריג התלת-ממדי באמצעות שדה מגנטי, ייתכן שניתן יהיה ליצור התקן אחסון תלת-ממדי אמיתי המבוסס על מטען מגנטי."
זמן פרסום: 28 במאי 2021