Forskare har tagit ett steg mot att skapa kraftfulla apparater som utnyttjarmagnetisk ladda genom att skapa den första tredimensionella replikan någonsin av ett material som kallas spin-is.
Spin-ismaterial är extremt ovanliga eftersom de har så kallade defekter som beter sig som en magnets enda pol.
Dessa enpoliga magneter, även kända som magnetiska monopoler, existerar inte i naturen; när varje magnetiskt material delas i två delar skapas alltid en ny magnet med en nord- och en sydpol.
I årtionden har forskare letat vitt och brett efter bevis på naturligt förekommandemagnetisk monopol i hopp om att äntligen gruppera naturens grundläggande krafter i en så kallad teori om allting, vilket samlar all fysik under ett tak.
Men på senare år har fysiker lyckats producera artificiella versioner av en magnetisk monopol genom skapandet av tvådimensionella spin-is-material.
Hittills har dessa strukturer framgångsrikt demonstrerat en magnetisk monopol, men det är omöjligt att uppnå samma fysik när materialet är begränsat till ett enda plan. Det är faktiskt den specifika tredimensionella geometrin hos spin-is-gittret som är nyckeln till dess ovanliga förmåga att skapa små strukturer som efterliknarmagnetiskmonopol.
I en ny studie som publiceras idag i Nature Communications har ett team lett av forskare vid Cardiff University skapat den första 3D-repliken någonsin av ett spin-is-material med hjälp av en sofistikerad typ av 3D-utskrift och -bearbetning.
Teamet säger att 3D-utskriftstekniken har gjort det möjligt för dem att skräddarsy geometrin hos den artificiella spin-isen, vilket innebär att de kan kontrollera hur de magnetiska monopolerna bildas och flyttas runt i systemen.
Att kunna manipulera mini-monopolmagneterna i 3D skulle kunna öppna upp för en hel mängd tillämpningar, säger de, från förbättrad datorlagring till skapandet av 3D-datornätverk som efterliknar den mänskliga hjärnans neurala struktur.
”I över 10 år har forskare skapat och studerat artificiell spin-is i två dimensioner. Genom att utöka sådana system till tre dimensioner får vi en mycket mer exakt representation av spin-is monopolfysik och kan studera ytors inverkan”, säger huvudförfattaren Dr. Sam Ladak från Cardiff Universitys School of Physics and Astronomy.
"Det här är första gången som någon har kunnat skapa en exakt 3D-kopia av en spin-is, designmässigt, på nanoskala."
Den artificiella spin-isen skapades med hjälp av toppmoderna 3D-nanofabrikationstekniker där små nanotrådar staplades i fyra lager i en gitterstruktur, som i sig mätte mindre än ett mänskligt hårstrås bredd totalt.
En speciell typ av mikroskopi, känd som magnetisk kraftmikroskopi, som är känslig för magnetism, användes sedan för att visualisera de magnetiska laddningarna som fanns på enheten, vilket gjorde det möjligt för teamet att spåra rörelsen hos de enpoliga magneterna över 3D-strukturen.
”Vårt arbete är viktigt eftersom det visar att nanoskaliga 3D-utskriftstekniker kan användas för att efterlikna material som vanligtvis syntetiseras via kemi”, fortsatte Dr. Ladak.
"I slutändan skulle detta arbete kunna ge ett sätt att producera nya magnetiska metamaterial, där materialegenskaperna justeras genom att styra 3D-geometrin hos ett artificiellt gitter."
”Magnetiska lagringsenheter, såsom hårddiskar eller magnetiska RAM-minnen, är ett annat område som kan påverkas kraftigt av detta genombrott. Eftersom nuvarande enheter bara använder två av de tre tillgängliga dimensionerna begränsar detta mängden information som kan lagras. Eftersom monopolerna kan flyttas runt i 3D-gittret med hjälp av ett magnetfält kan det vara möjligt att skapa en verklig 3D-lagringsenhet baserad på magnetisk laddning.”
Publiceringstid: 28 maj 2021