Wetenschappers hebben een stap gezet richting de creatie van krachtige apparaten die gebruikmaken van...magnetisch lading door de allereerste driedimensionale replica te creëren van een materiaal dat bekend staat als spin-ijs.
Spin-ijsmaterialen zijn uiterst ongebruikelijk omdat ze zogenaamde defecten bezitten die zich gedragen als de enkele pool van een magneet.
Deze eenpolige magneten, ook wel magnetische monopolen genoemd, bestaan niet in de natuur; als je een magnetisch materiaal in tweeën snijdt, ontstaat er altijd een nieuwe magneet met een noord- en een zuidpool.
Wetenschappers zoeken al decennialang overal naar bewijs van natuurlijk voorkomende gevallen.magnetisch monopolen in de hoop de fundamentele natuurkrachten eindelijk te groeperen in een zogenaamde theorie van alles, waarmee de hele natuurkunde onder één dak wordt gebracht.
De laatste jaren zijn natuurkundigen er echter in geslaagd kunstmatige versies van een magnetische monopool te produceren door de creatie van tweedimensionale spin-ijsmaterialen.
Tot nu toe hebben deze structuren met succes een magnetische monopool aangetoond, maar het is onmogelijk om dezelfde natuurkundige verschijnselen te verkrijgen wanneer het materiaal tot één enkel vlak is beperkt. Juist de specifieke driedimensionale geometrie van het spin-ijsrooster is de sleutel tot het ongebruikelijke vermogen om minuscule structuren te creëren die een magnetische monopool nabootsen.magnetischmonopolen.
In een nieuwe studie die vandaag in Nature Communications is gepubliceerd, heeft een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Cardiff de allereerste 3D-replica van een spinijsmateriaal gemaakt met behulp van een geavanceerde vorm van 3D-printen en -verwerking.
Het team zegt dat de 3D-printtechnologie hen in staat heeft gesteld de geometrie van het kunstmatige spinijs aan te passen, waardoor ze de manier waarop de magnetische monopolen worden gevormd en zich in de systemen verplaatsen, kunnen controleren.
De mogelijkheid om de mini-monopoolmagneten in 3D te manipuleren zou volgens hen een hele reeks toepassingen mogelijk maken, van verbeterde computeropslag tot het creëren van 3D-computernetwerken die de neurale structuur van het menselijk brein nabootsen.
"Wetenschappers creëren en bestuderen al meer dan tien jaar kunstmatig spinijs in twee dimensies. Door dergelijke systemen uit te breiden naar drie dimensies krijgen we een veel nauwkeurigere weergave van de monopoolfysica van spinijs en kunnen we de invloed van oppervlakken bestuderen", aldus hoofdauteur dr. Sam Ladak van de faculteit Natuurkunde en Astronomie van de Universiteit van Cardiff.
"Dit is de eerste keer dat iemand erin is geslaagd om, bewust en op nanoschaal, een exacte 3D-replica van spinijs te creëren."
Het kunstmatige spinijs werd gecreëerd met behulp van geavanceerde 3D-nanofabricagetechnieken, waarbij minuscule nanodraden in vier lagen in een roosterstructuur werden gestapeld. Deze structuur zelf was in totaal minder dan de breedte van een mensenhaar.
Vervolgens werd een speciaal type microscopie, magnetische krachtmicroscopie genaamd, gebruikt, dat gevoelig is voor magnetisme. Deze techniek werd toegepast om de magnetische ladingen op het apparaat te visualiseren, waardoor het team de beweging van de enkelpolige magneten door de 3D-structuur kon volgen.
"Ons werk is belangrijk omdat het aantoont dat 3D-printtechnologieën op nanoschaal gebruikt kunnen worden om materialen na te bootsen die normaal gesproken via chemische processen worden gesynthetiseerd," vervolgde dr. Ladak.
"Uiteindelijk zou dit werk een manier kunnen bieden om nieuwe magnetische metamaterialen te produceren, waarbij de materiaaleigenschappen worden afgestemd door de 3D-geometrie van een kunstmatig rooster te controleren."
“Magnetische opslagapparaten, zoals harde schijven of magnetische random access memory (MRAM), vormen een ander gebied dat enorm beïnvloed zou kunnen worden door deze doorbraak. Omdat huidige apparaten slechts twee van de drie beschikbare dimensies benutten, is de hoeveelheid informatie die kan worden opgeslagen beperkt. Aangezien de monopolen met behulp van een magnetisch veld over het 3D-rooster kunnen worden bewogen, zou het mogelijk kunnen zijn om een echt 3D-opslagapparaat te creëren dat gebaseerd is op magnetische lading.”
Geplaatst op: 28 mei 2021