Wetenschappers hebben een stap gezet in de richting van de creatie van krachtige apparaten die gebruik maken vanmagnetisch opladen door de allereerste driedimensionale replica te creëren van een materiaal dat bekend staat als spin-ijs.
Spinijsmaterialen zijn uiterst ongebruikelijk omdat ze zogenaamde defecten vertonen die zich gedragen als de enkele pool van een magneet.
Deze enkelpolige magneten, ook wel magnetische monopolen genoemd, bestaan in de natuur niet;wanneer elk magnetisch materiaal in tweeën wordt gesneden, ontstaat er altijd een nieuwe magneet met een noord- en een zuidpool.
Decennia lang hebben wetenschappers heinde en verre gezocht naar bewijs dat dit in de natuur voorkomtmagnetisch monopolen in de hoop eindelijk de fundamentele krachten van de natuur te groeperen in een zogenaamde theorie van alles, waardoor de hele natuurkunde onder één dak komt.
De afgelopen jaren zijn natuurkundigen er echter in geslaagd 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 als het materiaal beperkt is tot een enkel vlak.Het is inderdaad de specifieke driedimensionale geometrie van het spin-ijsrooster die de sleutel vormt tot zijn ongebruikelijke vermogen om kleine structuren te creëren die lijken opmagnetischmonopolen.
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 spin-ice-materiaal 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 spin-ijs aan te passen, wat betekent dat ze controle kunnen uitoefenen over de manier waarop de magnetische monopolen worden gevormd en in de systemen worden verplaatst.
Het kunnen manipuleren van de mini-monopoolmagneten in 3D zou een hele reeks toepassingen kunnen openen, zeggen ze, van verbeterde computeropslag tot het creëren van 3D-computernetwerken die de neurale structuur van het menselijk brein nabootsen.
“Al meer dan tien 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”, zegt hoofdauteur dr. Sam Ladak van de School of Physics and Astronomy van Cardiff University.
“Dit is de eerste keer dat iemand een exacte 3D-replica van een spin-ijs heeft kunnen maken, door ontwerp, op nanoschaal.”
Het kunstmatige spin-ijs werd gemaakt met behulp van de modernste 3D-nanofabricagetechnieken waarbij kleine nanodraden in vier lagen werden gestapeld in een roosterstructuur, die zelf in totaal minder dan een mensenhaar breed was.
Een speciaal type microscopie, bekend als magnetische krachtmicroscopie, dat gevoelig is voor magnetisme, werd vervolgens gebruikt om de magnetische ladingen op het apparaat zichtbaar te maken, waardoor het team de beweging van de enkelpolige magneten over de 3D-structuur kon volgen.
“Ons werk is belangrijk omdat het aantoont dat 3D-printtechnologieën op nanoschaal kunnen worden gebruikt om materialen na te bootsen die gewoonlijk via chemie 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 een harde schijf of magnetische geheugenapparaten met willekeurige toegang, zijn een ander gebied dat enorm kan worden beïnvloed door deze doorbraak.Omdat de 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 door het 3D-rooster kunnen worden verplaatst, kan het mogelijk zijn om een echt 3D-opslagapparaat te creëren op basis van magnetische lading.”
Posttijd: 28 mei 2021