Wetenschappers hebben een stap gezet in de richting van de ontwikkeling van krachtige apparaten diemagnetisch door de allereerste driedimensionale replica te creëren van een materiaal dat bekend staat als spin-ijs.
Spin-ijsmaterialen zijn uiterst bijzonder omdat ze zogenaamde defecten bevatten die zich gedragen als de enkele pool van een magneet.
Deze enkelpolige magneten, ook wel magnetische monopolen genoemd, komen in de natuur niet voor. Wanneer een magnetisch materiaal in tweeën wordt gesneden, ontstaat er altijd een nieuwe magneet met een noord- en zuidpool.
Al tientallen jaren zoeken wetenschappers overal naar bewijs voor natuurlijk voorkomendemagnetisch monopolen in de hoop eindelijk de fundamentele krachten van de natuur te kunnen bundelen in een zogenaamde theorie van alles, waarmee alle natuurkunde onder één dak zou worden gebracht.
De afgelopen jaren zijn natuurkundigen er echter in geslaagd om kunstmatige versies van een magnetische monopool te produceren door tweedimensionale spin-ijsmaterialen te creëren.
Tot nu toe hebben deze structuren met succes een magnetische monopool aangetoond, maar het is onmogelijk om dezelfde fysica te verkrijgen wanneer het materiaal beperkt is tot één vlak. Het is juist de specifieke driedimensionale geometrie van het spin-ijsrooster die de sleutel is tot zijn ongewone vermogen om minuscule structuren te creëren die de magnetische eigenschappen nabootsen.magnetischmonopolen.
In een nieuw onderzoek dat vandaag in Nature Communications is gepubliceerd, heeft een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Cardiff de allereerste 3D-replica van een spin-ijsmateriaal gemaakt met behulp van een geavanceerde vorm van 3D-printen en -verwerking.
Volgens het team hebben ze dankzij de 3D-printtechnologie de geometrie van het kunstmatige spin-ijs kunnen aanpassen. Dat betekent dat ze de manier waarop de magnetische monopolen worden gevormd en in de systemen worden verplaatst, kunnen bepalen.
Volgens hen zou het kunnen manipuleren van de mini-monopoolmagneten in 3D een groot aantal toepassingen mogelijk maken, van verbeterde computeropslag tot het creëren van 3D-computernetwerken die de neurale structuur van het menselijk brein nabootsen.
"Al meer dan 10 jaar creëren en bestuderen wetenschappers kunstmatig spin-ijs in twee dimensies. Door dergelijke systemen uit te breiden naar drie dimensies krijgen we een veel nauwkeurigere weergave van de monopoolfysica van spin-ijs en kunnen we de impact van oppervlakken bestuderen", aldus hoofdauteur Dr. Sam Ladak van de School of Physics and Astronomy van Cardiff University.
“Dit is de eerste keer dat iemand in staat is gebleken om een exacte 3D-replica van spin-ijs te creëren, op nanoschaal, volgens ontwerp.”
Het kunstmatige spin-ijs werd gecreëerd met behulp van geavanceerde 3D-nanofabricatietechnieken, waarbij minuscule nanodraden in vier lagen werden gestapeld in een roosterstructuur. Deze roosterstructuur was zelf minder breed dan een menselijke haar.
Vervolgens werd een speciaal type microscopie gebruikt, bekend als magnetische krachtmicroscopie, dat gevoelig is voor magnetisme. Hiermee werden de magnetische ladingen op het apparaat zichtbaar gemaakt, waardoor het team de beweging van de enkelpolige magneten over de 3D-structuur kon volgen.
"Ons werk is belangrijk omdat het laat zien dat 3D-printtechnologieën op nanoschaal gebruikt kunnen worden om materialen na te bootsen die normaal gesproken via chemie worden gesynthetiseerd", vervolgde Dr. Ladak.
“Uiteindelijk kan dit werk een manier 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 RAM-apparaten (Random Access Memory), vormen een ander gebied dat enorm beïnvloed zou kunnen worden door deze doorbraak. Omdat huidige apparaten slechts twee van de drie beschikbare dimensies gebruiken, beperkt dit de hoeveelheid informatie die kan worden opgeslagen. Omdat de monopolen met behulp van een magnetisch veld over het 3D-rooster kunnen worden bewogen, is het mogelijk om een echt 3D-opslagapparaat te creëren op basis van magnetische lading.
Geplaatst op: 28 mei 2021