Вчені зробили крок до створення потужних пристроїв, які використовуютьмагнітний заряд, створивши першу в історії тривимірну копію матеріалу, відомого як спін-лід.
Спінові льодяні матеріали надзвичайно незвичайні, оскільки вони мають так звані дефекти, які поводяться як один полюс магніту.
Ці однополюсні магніти, також відомі як магнітні монополі, не існують у природі; коли кожен магнітний матеріал розрізати на дві частини, він завжди створюватиме новий магніт з північним і південним полюсом.
Протягом десятиліть вчені шукали повсюди докази природного існування...магнітний монополів у надії нарешті згрупувати фундаментальні сили природи в так звану теорію всього, об'єднавши всю фізику під одним дахом.
Однак, в останні роки фізикам вдалося створити штучні версії магнітного монополя шляхом створення двовимірних спін-льодових матеріалів.
На сьогоднішній день ці структури успішно продемонстрували магнітний монополь, але неможливо отримати таку ж фізику, коли матеріал обмежений однією площиною. Дійсно, саме специфічна тривимірна геометрія спін-льодової решітки є ключем до її незвичайної здатності створювати крихітні структури, що імітуютьмагнітниймонополів.
У новому дослідженні, опублікованому сьогодні в Nature Communications, команда вчених з Кардіффського університету створила першу в історії 3D-копію матеріалу зі спін-льоду, використовуючи складний тип 3D-друку та обробки.
Команда стверджує, що технологія 3D-друку дозволила їм налаштувати геометрію штучного спінового льоду, а це означає, що вони можуть контролювати спосіб формування та переміщення магнітних монополів у системах.
Можливість маніпулювати міні-монопольними магнітами в 3D може відкрити цілу низку застосувань, від покращеного сховища комп'ютерної інформації до створення 3D-обчислювальних мереж, що імітують нейронну структуру людського мозку.
«Понад 10 років вчені створювали та вивчали штучний спіновий лід у двох вимірах. Розширюючи такі системи до трьох вимірів, ми отримуємо набагато точніше уявлення про фізику монополів спінового льоду та можемо вивчати вплив поверхонь», – сказав провідний автор дослідження доктор Сем Ладак зі Школи фізики та астрономії Кардіффського університету.
«Це перший випадок, коли комусь вдалося створити точну 3D-копію спінового льоду, задумливо, у наномасштабі».
Штучний спін-лід був створений за допомогою найсучасніших методів 3D-нанофабрикації, в яких крихітні нанодроти були складені в чотири шари в ґратчасту структуру, яка сама по собі мала загальний розмір менше, ніж ширина людської волосини.
Потім для візуалізації магнітних зарядів, присутніх на пристрої, було використано спеціальний тип мікроскопії, відомий як магнітна силова мікроскопія, чутлива до магнетизму, що дозволило команді відстежувати рух однополюсних магнітів по тривимірній структурі.
«Наша робота важлива, оскільки вона показує, що технології нанорозмірного 3D-друку можна використовувати для імітації матеріалів, які зазвичай синтезуються хімічним шляхом», – продовжив доктор Ладак.
«Зрештою, ця робота може забезпечити засоби для створення нових магнітних метаматеріалів, де властивості матеріалу налаштовуються шляхом контролю 3D-геометрії штучної решітки».
«Магнітні пристрої зберігання даних, такі як жорсткі диски або магнітні пристрої з довільним доступом, – це ще одна галузь, на яку цей прорив може суттєво вплинути. Оскільки сучасні пристрої використовують лише два з трьох доступних вимірів, це обмежує обсяг інформації, яку можна зберігати. Оскільки монополі можна переміщувати по тривимірній решітці за допомогою магнітного поля, можливо, можна створити справжній тривимірний пристрій зберігання даних на основі магнітного заряду».
Час публікації: 28 травня 2021 р.