ความก้าวหน้าในโครงสร้างนาโนแม่เหล็กแบบ 3 มิติสามารถเปลี่ยนโฉมคอมพิวเตอร์ยุคใหม่ได้

นักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปสู่การสร้างอุปกรณ์อันทรงพลังที่ควบคุมได้แม่เหล็ก ชาร์จโดยการสร้างแบบจำลองสามมิติครั้งแรกของวัสดุที่เรียกว่าสปินน้ำแข็ง

วัสดุสปินน้ำแข็งนั้นผิดปกติอย่างยิ่งเนื่องจากมีข้อบกพร่องที่เรียกว่าขั้วเดียวของแม่เหล็ก

แม่เหล็กขั้วเดี่ยวเหล่านี้หรือที่เรียกว่าโมโนโพลแม่เหล็กไม่มีอยู่ในธรรมชาติเมื่อวัสดุแม่เหล็กทุกชิ้นถูกตัดออกเป็นสองส่วน มันจะสร้างแม่เหล็กใหม่ที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้เสมอ

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์มองหาหลักฐานที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติแม่เหล็ก ผู้ผูกขาดด้วยความหวังที่จะรวมกลุ่มพลังพื้นฐานของธรรมชาติให้กลายเป็นทฤษฎีที่เรียกว่าทุกสิ่งในที่สุด โดยวางฟิสิกส์ทั้งหมดไว้ใต้หลังคาเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์สามารถผลิตโมโนโพลแม่เหล็กแบบประดิษฐ์ได้ โดยการสร้างวัสดุน้ำแข็งหมุนสองมิติ

จนถึงปัจจุบัน โครงสร้างเหล่านี้ประสบความสำเร็จในการแสดงโมโนโพลแม่เหล็ก แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้ฟิสิกส์แบบเดียวกันเมื่อวัสดุถูกจำกัดอยู่ในระนาบเดียวอันที่จริง มันเป็นรูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่เฉพาะเจาะจงของโครงตาข่ายน้ำแข็งหมุนที่เป็นกุญแจสำคัญในความสามารถที่ไม่ธรรมดาในการสร้างโครงสร้างเล็กๆ ที่เลียนแบบแม่เหล็กโมโนโพล

ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ในวันนี้ใน Nature Communications ทีมที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ได้สร้างแบบจำลอง 3 มิติครั้งแรกของวัสดุสปินน้ำแข็งโดยใช้การพิมพ์และการประมวลผล 3 มิติที่ซับซ้อน

ทีมงานกล่าวว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติช่วยให้พวกเขาปรับแต่งรูปทรงของสปินน้ำแข็งเทียมได้ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถควบคุมวิธีการสร้างและเคลื่อนที่โมโนโพลแม่เหล็กในระบบได้

ความสามารถในการจัดการแม่เหล็กโมโนโพลขนาดเล็กในรูปแบบ 3 มิติสามารถเปิดแอปพลิเคชั่นมากมายที่พวกเขากล่าว ตั้งแต่การจัดเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงไปจนถึงการสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์ 3 มิติที่เลียนแบบโครงสร้างประสาทของสมองมนุษย์

“เป็นเวลากว่า 10 ปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างและศึกษาสปินน้ำแข็งเทียมในสองมิติด้วยการขยายระบบดังกล่าวเป็นสามมิติ เราจึงสามารถนำเสนอฟิสิกส์โมโนโพลสปินน้ำแข็งได้แม่นยำยิ่งขึ้น และสามารถศึกษาผลกระทบของพื้นผิวได้” ดร. แซม ลาดัก ผู้เขียนนำจากคณะฟิสิกส์และดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์กล่าว

“นี่เป็นครั้งแรกที่ใครก็ตามสามารถสร้างแบบจำลอง 3 มิติของน้ำแข็งหมุนได้ตรงตามการออกแบบในระดับนาโน”

สปินน้ำแข็งประดิษฐ์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตนาโนแฟบริเคชัน 3 มิติที่ล้ำสมัย โดยลวดนาโนขนาดเล็กถูกซ้อนกันเป็นสี่ชั้นในโครงสร้างขัดแตะ ซึ่งวัดได้น้อยกว่าความกว้างของเส้นผมโดยรวม

กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กซึ่งมีความไวต่อแม่เหล็กถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพประจุแม่เหล็กที่ปรากฏบนอุปกรณ์ ช่วยให้ทีมงานสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กขั้วเดียวทั่วโครงสร้าง 3 มิติ

“งานของเรามีความสำคัญเนื่องจากแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติระดับนาโนสามารถเลียนแบบวัสดุที่มักจะสังเคราะห์ผ่านเคมีได้” ดร. ลาดักกล่าวต่อ

"ในท้ายที่สุด งานนี้สามารถให้วิธีการในการผลิต metamaterials แม่เหล็กแบบใหม่ โดยที่คุณสมบัติของวัสดุจะถูกปรับโดยการควบคุมเรขาคณิต 3 มิติของโครงตาข่ายเทียม

“อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็ก เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์หรืออุปกรณ์หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบแม่เหล็ก ถือเป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่อาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากความก้าวหน้าครั้งนี้เนื่องจากอุปกรณ์ปัจจุบันใช้เพียงสองในสามมิติที่มีอยู่ จึงจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บได้เนื่องจากโมโนโพลสามารถเคลื่อนย้ายไปรอบๆ ตาข่าย 3 มิติได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก จึงอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล 3 มิติที่แท้จริงโดยอาศัยประจุแม่เหล็ก”