Wissenschaftler haben einen Schritt in Richtung der Entwicklung leistungsstarker Geräte unternommen, diemagnetisch Ladung durch die Herstellung der allerersten dreidimensionalen Nachbildung eines Materials, das als Spin-Eis bekannt ist.
Spineis-Materialien sind äußerst ungewöhnlich, da sie sogenannte Defekte aufweisen, die sich wie der einzelne Pol eines Magneten verhalten.
Diese einpoligen Magnete, auch magnetische Monopole genannt, existieren in der Natur nicht; wenn man ein magnetisches Material in zwei Hälften teilt, entsteht immer ein neuer Magnet mit einem Nord- und einem Südpol.
Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler überall nach Beweisen für natürlich vorkommendemagnetisch Monopole in der Hoffnung, die fundamentalen Naturkräfte schließlich in einer sogenannten Theorie von Allem zusammenzufassen und die gesamte Physik unter ein Dach zu vereinen.
In den letzten Jahren ist es Physikern jedoch gelungen, künstliche Versionen eines magnetischen Monopols durch die Herstellung zweidimensionaler Spin-Eis-Materialien zu erzeugen.
Bislang konnten diese Strukturen erfolgreich einen magnetischen Monopol nachweisen, doch lassen sich dieselben physikalischen Phänomene nicht erzielen, wenn das Material auf eine einzelne Ebene beschränkt ist. Tatsächlich ist es die spezifische dreidimensionale Geometrie des Spin-Eis-Gitters, die den Schlüssel zu seiner ungewöhnlichen Fähigkeit darstellt, winzige Strukturen zu erzeugen, die …magnetischMonopole.
In einer heute in Nature Communications veröffentlichten Studie hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Cardiff University die erste 3D-Replik eines Spin-Eis-Materials mithilfe einer hochentwickelten 3D-Druck- und Verarbeitungsmethode hergestellt.
Das Team gibt an, dass die 3D-Drucktechnologie es ihnen ermöglicht hat, die Geometrie des künstlichen Spin-Eises anzupassen, was bedeutet, dass sie die Art und Weise kontrollieren können, wie die magnetischen Monopole in den Systemen gebildet und bewegt werden.
Die Möglichkeit, die Mini-Monopolmagnete in 3D zu manipulieren, könnte eine ganze Reihe von Anwendungen eröffnen, von verbesserter Computerspeicherung bis hin zur Schaffung von 3D-Rechennetzwerken, die die neuronale Struktur des menschlichen Gehirns nachahmen.
„Seit über zehn Jahren erzeugen und untersuchen Wissenschaftler künstliches Spin-Eis in zwei Dimensionen. Durch die Erweiterung solcher Systeme auf drei Dimensionen erhalten wir eine wesentlich genauere Darstellung der Monopolphysik von Spin-Eis und können den Einfluss von Oberflächen untersuchen“, sagte Hauptautor Dr. Sam Ladak von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Cardiff.
„Dies ist das erste Mal, dass es jemandem gelungen ist, eine exakte 3D-Replik eines Spin-Eises gezielt im Nanobereich herzustellen.“
Das künstliche Spin-Eis wurde mithilfe modernster 3D-Nanofabrikationstechniken hergestellt, bei denen winzige Nanodrähte in vier Schichten zu einer Gitterstruktur gestapelt wurden, die insgesamt weniger als die Breite eines menschlichen Haares aufwies.
Anschließend wurde eine spezielle Art der Mikroskopie, die sogenannte Magnetkraftmikroskopie, eingesetzt, die empfindlich auf Magnetismus reagiert, um die auf dem Gerät vorhandenen magnetischen Ladungen sichtbar zu machen. Dies ermöglichte es dem Team, die Bewegung der einpoligen Magnete über die 3D-Struktur zu verfolgen.
„Unsere Arbeit ist wichtig, da sie zeigt, dass Nanotechnologie im 3D-Druck eingesetzt werden kann, um Materialien nachzubilden, die üblicherweise chemisch synthetisiert werden“, fuhr Dr. Ladak fort.
„Letztendlich könnte diese Arbeit ein Mittel zur Herstellung neuartiger magnetischer Metamaterialien liefern, bei denen die Materialeigenschaften durch die Kontrolle der 3D-Geometrie eines künstlichen Gitters eingestellt werden.“
„Magnetische Speichermedien wie Festplatten oder magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM) sind ein weiterer Bereich, der von diesem Durchbruch massiv beeinflusst werden könnte. Da die derzeitigen Geräte nur zwei der drei verfügbaren Dimensionen nutzen, ist die Speicherkapazität begrenzt. Da sich die Monopole mithilfe eines Magnetfelds im dreidimensionalen Gitter bewegen lassen, könnte es möglich sein, ein echtes dreidimensionales Speichermedium auf Basis magnetischer Ladung zu entwickeln.“
Veröffentlichungsdatum: 28. Mai 2021