นักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปอีกขั้นในการสร้างอุปกรณ์อันทรงพลังที่ควบคุมแม่เหล็ก ชาร์จพลังด้วยการสร้างแบบจำลองสามมิติครั้งแรกของวัสดุที่เรียกว่าสปินไอซ์
วัสดุน้ำแข็งหมุนเป็นสิ่งที่แปลกมากเนื่องจากมีสิ่งที่เรียกว่าข้อบกพร่องซึ่งทำหน้าที่เหมือนขั้วเดี่ยวของแม่เหล็ก
แม่เหล็กขั้วเดี่ยวเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าแม่เหล็กขั้วเดียว ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ เมื่อวัสดุแม่เหล็กทุกชิ้นถูกตัดออกเป็นสองส่วน มันก็จะสร้างแม่เหล็กใหม่ที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้เสมอ
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาหลักฐานของการเกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างกว้างขวางแม่เหล็ก โมโนโพลในความหวังที่จะรวมพลังพื้นฐานของธรรมชาติเข้าด้วยกันเป็นสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีของทุกสิ่งในที่สุด โดยนำฟิสิกส์ทั้งหมดมาไว้ภายใต้หลังคาเดียวกัน
อย่างไรก็ตามในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จในการผลิตโมโนโพลแม่เหล็กเทียมผ่านการสร้างวัสดุสปินน้ำแข็งสองมิติ
จนถึงปัจจุบัน โครงสร้างเหล่านี้ได้แสดงให้เห็นถึงขั้วแม่เหล็กแบบโมโนโพลสำเร็จแล้ว แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้ผลลัพธ์ทางฟิสิกส์แบบเดียวกันนี้เมื่อวัสดุถูกจำกัดอยู่ในระนาบเดียว อันที่จริง รูปทรงเรขาคณิตสามมิติเฉพาะของโครงตาข่ายสปิน-น้ำแข็งคือกุญแจสำคัญสู่ความสามารถอันน่าทึ่งในการสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่เลียนแบบแม่เหล็กโมโนโพล
ในการศึกษาวิจัยใหม่ที่ตีพิมพ์เมื่อวันนี้ในวารสาร Nature Communications ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ได้สร้างแบบจำลอง 3 มิติของวัสดุสปินไอซ์ขึ้นเป็นครั้งแรกโดยใช้วิธีการพิมพ์และประมวลผล 3 มิติที่ซับซ้อน
ทีมงานกล่าวว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติทำให้พวกเขาสามารถปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตของสปินน้ำแข็งเทียมได้ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถควบคุมวิธีการสร้างและการเคลื่อนย้ายโมโนโพลแม่เหล็กในระบบได้
การสามารถควบคุมแม่เหล็กโมโนโพลขนาดเล็กในรูปแบบ 3 มิติได้นั้นอาจเปิดโอกาสให้มีการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น ตั้งแต่การจัดเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงไปจนถึงการสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์ 3 มิติที่เลียนแบบโครงสร้างประสาทของสมองมนุษย์
“เป็นเวลากว่า 10 ปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างและศึกษาสปินน้ำแข็งเทียมในสองมิติ การขยายระบบดังกล่าวไปสู่สามมิติ ทำให้เราเห็นภาพฟิสิกส์โมโนโพลของสปินน้ำแข็งได้แม่นยำยิ่งขึ้น และสามารถศึกษาผลกระทบของพื้นผิวได้” ดร. แซม ลาดัก หัวหน้าทีมวิจัยจากคณะฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ กล่าว
“นี่เป็นครั้งแรกที่ใครก็ตามสามารถสร้างแบบจำลองสปินไอซ์แบบ 3 มิติที่เหมือนจริงได้อย่างแม่นยำในระดับนาโน โดยได้รับการออกแบบมา”
น้ำแข็งเทียมถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตนาโนแบบ 3 มิติที่ล้ำสมัย โดยที่เส้นนาโนขนาดเล็กถูกวางซ้อนกันเป็น 4 ชั้นในโครงสร้างตาข่ายซึ่งมีความกว้างโดยรวมน้อยกว่าเส้นผมของมนุษย์
กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็ก ซึ่งมีความไวต่อแม่เหล็ก ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างภาพประจุแม่เหล็กบนอุปกรณ์ ทำให้ทีมสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กขั้วเดี่ยวบนโครงสร้าง 3 มิติได้
“งานของเรามีความสำคัญเนื่องจากแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในระดับนาโนสามารถใช้เลียนแบบวัสดุที่โดยปกติสังเคราะห์ด้วยเคมีได้” ดร. ลาดักกล่าวต่อ
“ท้ายที่สุด งานนี้อาจให้แนวทางในการผลิตเมตาแมทีเรียลแม่เหล็กแบบใหม่ โดยที่คุณสมบัติของวัสดุจะถูกปรับแต่งโดยการควบคุมรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติของโครงตาข่ายเทียม”
อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแม่เหล็ก เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ หรืออุปกรณ์หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแม่เหล็ก เป็นอีกด้านที่อาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากความก้าวหน้าครั้งนี้ เนื่องจากอุปกรณ์ในปัจจุบันใช้เพียงสองในสามมิติที่มีอยู่ จึงจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บได้ เนื่องจากโมโนโพลสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ โครงตาข่ายสามมิติโดยใช้สนามแม่เหล็ก จึงอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสามมิติที่แท้จริงโดยใช้ประจุแม่เหล็ก
เวลาโพสต์: 28 พฤษภาคม 2564