Ученые сделали шаг к созданию мощных устройств, использующихмагнитный зарядка путем создания первой в истории трехмерной копии материала, известного как спиновый лед.
Материалы, содержащие спиновый лед, крайне необычны, поскольку обладают так называемыми дефектами, которые ведут себя как единственный полюс магнита.
Эти однополюсные магниты, также известные как магнитные монополи, не существуют в природе; если разрезать любой магнитный материал на две части, всегда получится новый магнит с северным и южным полюсами.
На протяжении десятилетий ученые искали повсюду доказательства существования чего-либо в природе.магнитный монополии в надежде, наконец, объединить фундаментальные силы природы в так называемую теорию всего, поместив всю физику под одну крышу.
Однако в последние годы физикам удалось создать искусственные версии магнитного монополя путем разработки двумерных материалов на основе спинового льда.
На сегодняшний день эти структуры успешно продемонстрировали магнитный монополь, но получить те же физические свойства невозможно, когда материал ограничен одной плоскостью. Действительно, именно специфическая трехмерная геометрия решетки спинового льда является ключом к ее необычной способности создавать крошечные структуры, имитирующиемагнитныймонополи.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications, группа ученых из Кардиффского университета создала первую в истории 3D-модель материала, представляющего собой вращающийся лед, используя сложный метод 3D-печати и обработки.
Команда утверждает, что технология 3D-печати позволила им точно настроить геометрию искусственного спинового льда, а это значит, что они могут контролировать способ формирования и перемещения магнитных монополей в системе.
По их словам, возможность манипулировать миниатюрными монопольными магнитами в трехмерном пространстве может открыть целый ряд применений, от улучшения хранения данных в компьютерах до создания трехмерных вычислительных сетей, имитирующих нейронную структуру человеческого мозга.
«Более 10 лет ученые создавали и изучали искусственный спиновый лед в двух измерениях. Расширив такие системы до трех измерений, мы получаем гораздо более точное представление о физике монополей спинового льда и можем изучать влияние поверхностей», — сказал ведущий автор исследования доктор Сэм Ладак из Школы физики и астрономии Кардиффского университета.
«Это первый случай, когда кому-либо удалось создать точную трехмерную копию вращающегося льда, целенаправленно, в наномасштабе».
Искусственный вращающийся лед был создан с использованием самых современных технологий 3D-нанофабрикации, при которых крошечные нанопроволоки были уложены в четыре слоя в решетчатую структуру, общая ширина которой составляла менее толщины человеческого волоса.
Затем для визуализации магнитных зарядов, присутствующих на устройстве, был использован особый вид микроскопии, известный как микроскопия магнитных сил, чувствительный к магнетизму, что позволило команде отслеживать движение однополюсных магнитов по трехмерной структуре.
«Наша работа важна, поскольку она показывает, что технологии наноразмерной 3D-печати могут быть использованы для имитации материалов, которые обычно синтезируются химическими методами», — продолжил доктор Ладак.
«В конечном итоге, эта работа может обеспечить способ создания новых магнитных метаматериалов, свойства которых регулируются путем контроля трехмерной геометрии искусственной решетки».
«Магнитные запоминающие устройства, такие как жесткие диски или магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом, — еще одна область, на которую этот прорыв может оказать огромное влияние. Поскольку современные устройства используют только два из трех доступных измерений, это ограничивает объем информации, которую можно хранить. Поскольку монополи можно перемещать по трехмерной решетке с помощью магнитного поля, возможно создание настоящего трехмерного запоминающего устройства на основе магнитного заряда».
Дата публикации: 28 мая 2021 г.