ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในโครงสร้างนาโนแม่เหล็กสามมิติ อาจพลิกโฉมการคำนวณในยุคปัจจุบัน

นักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปอีกขั้นในการสร้างอุปกรณ์ทรงพลังที่ใช้ประโยชน์จากพลังงานแม่เหล็ก สร้างความก้าวหน้าโดยการสร้างแบบจำลองสามมิติชิ้นแรกของวัสดุที่เรียกว่า สปินไอซ์ (spin-ice)

วัสดุสปินไอซ์นั้นมีความพิเศษอย่างยิ่ง เนื่องจากมีสิ่งที่เรียกว่าข้อบกพร่อง ซึ่งทำหน้าที่เสมือนขั้วแม่เหล็กเดี่ยว

แม่เหล็กขั้วเดี่ยว หรือที่เรียกว่าแม่เหล็กโมโนโพลนั้น ไม่มีอยู่จริงในธรรมชาติ เมื่อวัสดุแม่เหล็กทุกชนิดถูกตัดออกเป็นสองส่วน มันจะสร้างแม่เหล็กใหม่ที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้เสมอ

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหาหลักฐานของการเกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างกว้างขวางแม่เหล็ก กลุ่มโมโนโพลส์หวังที่จะรวบรวมแรงพื้นฐานของธรรมชาติเข้าไว้ในสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีแห่งทุกสิ่ง ซึ่งจะทำให้ฟิสิกส์ทั้งหมดอยู่ภายใต้กรอบเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างโมโนโพลแม่เหล็กเทียมขึ้นมา โดยการสร้างวัสดุสปินไอซ์สองมิติ

จนถึงปัจจุบัน โครงสร้างเหล่านี้ได้แสดงให้เห็นถึงโมโนโพลแม่เหล็กอย่างประสบความสำเร็จ แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้ฟิสิกส์แบบเดียวกันเมื่อวัสดุถูกจำกัดอยู่ในระนาบเดียว แท้จริงแล้ว รูปทรงเรขาคณิตสามมิติเฉพาะของโครงสร้างตาข่ายสปินไอซ์เป็นกุญแจสำคัญต่อความสามารถพิเศษในการสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่เลียนแบบ...แม่เหล็กโมโนโพล

ในการศึกษาครั้งใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ในวันนี้ ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ได้สร้างแบบจำลอง 3 มิติของวัสดุสปินไอซ์ขึ้นเป็นครั้งแรก โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์และการประมวลผล 3 มิติขั้นสูง

ทีมวิจัยกล่าวว่า เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ช่วยให้พวกเขาสามารถปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตของสปินไอซ์เทียมได้ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถควบคุมวิธีการก่อตัวและการเคลื่อนที่ของโมโนโพลแม่เหล็กในระบบได้

นักวิจัยกล่าวว่า การสามารถควบคุมแม่เหล็กโมโนโพลขนาดเล็กในแบบ 3 มิติได้นั้น อาจเปิดโอกาสให้เกิดการใช้งานมากมาย ตั้งแต่การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ ไปจนถึงการสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์ 3 มิติที่เลียนแบบโครงสร้างประสาทของสมองมนุษย์

“นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างและศึกษาอนุภาคสปินไอซ์เทียมในสองมิติมานานกว่า 10 ปีแล้ว การขยายระบบดังกล่าวไปสู่สามมิติทำให้เราได้ภาพจำลองฟิสิกส์ของโมโนโพลสปินไอซ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น และสามารถศึกษาผลกระทบของพื้นผิวได้” ดร. แซม ลาดัก หัวหน้าทีมวิจัยจากคณะฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ กล่าว

“นี่เป็นครั้งแรกที่มีคนสามารถสร้างแบบจำลองสามมิติที่แม่นยำของสปินไอซ์ได้ตามการออกแบบในระดับนาโนสเกล”

น้ำแข็งปั่นเทียมนี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตระดับนาโนแบบ 3 มิติที่ล้ำสมัย ซึ่งใช้ลวดนาโนขนาดเล็กเรียงซ้อนกันเป็นสี่ชั้นในโครงสร้างตาข่าย ซึ่งโครงสร้างโดยรวมมีขนาดเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์เสียอีก

จากนั้นจึงใช้กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็ก ซึ่งมีความไวต่อสนามแม่เหล็ก เพื่อแสดงภาพประจุแม่เหล็กที่มีอยู่บนอุปกรณ์ ทำให้ทีมสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กขั้วเดี่ยวบนโครงสร้างสามมิติได้

ดร.ลาดักกล่าวต่อว่า “งานวิจัยของเรามีความสำคัญ เนื่องจากแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติระดับนาโนสามารถนำมาใช้เลียนแบบวัสดุที่โดยปกติแล้วสังเคราะห์ขึ้นโดยกระบวนการทางเคมีได้”

“ท้ายที่สุดแล้ว งานวิจัยนี้อาจเป็นหนทางสู่การสร้างวัสดุแม่เหล็กพิเศษรูปแบบใหม่ ซึ่งคุณสมบัติของวัสดุสามารถปรับแต่งได้โดยการควบคุมรูปทรงเรขาคณิตสามมิติของโครงสร้างตาข่ายเทียม”

“อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแม่เหล็ก เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์หรือหน่วยความจำแบบสุ่มแม่เหล็ก (MAG) เป็นอีกด้านหนึ่งที่อาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากความก้าวหน้านี้ เนื่องจากอุปกรณ์ในปัจจุบันใช้เพียงสองในสามมิติที่มีอยู่ ทำให้จำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บได้ แต่เนื่องจากโมโนโพลสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ โครงสร้างสามมิติโดยใช้สนามแม่เหล็กได้ จึงอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสามมิติที่แท้จริงโดยอาศัยประจุแม่เหล็ก”