מדענים עשו צעד לקראת יצירת מכשירים רבי עוצמה הרותמיםמַגנֶטִי להטעין על ידי יצירת העתק תלת מימדי ראשון אי פעם של חומר המכונה ספין-קרח.
חומרי קרח ספין הם יוצאי דופן ביותר מכיוון שיש להם מה שנקרא פגמים שמתנהגים כקוטב יחיד של מגנט.
מגנטים חד-קוטביים אלו, הידועים גם בשם מונופולים מגנטיים, אינם קיימים בטבע;כאשר כל חומר מגנטי נחתך לשניים הוא תמיד יוצר מגנט חדש עם קוטב צפוני ודרום.
במשך עשרות שנים מדענים חיפשו למרחקים אחר עדויות להתרחשות טבעיתמַגנֶטִי מונופולים בתקווה לקבץ סוף סוף את כוחות היסוד של הטבע לתוך מה שנקרא תיאוריה של הכל, לשים את כל הפיזיקה תחת קורת גג אחת.
עם זאת, בשנים האחרונות הפיזיקאים הצליחו לייצר גרסאות מלאכותיות של מונופול מגנטי באמצעות יצירת חומרי ספין-קרח דו-ממדיים.
עד היום מבנים אלה הדגימו בהצלחה מונופול מגנטי, אך אי אפשר להשיג את אותה פיזיקה כאשר החומר מוגבל למישור בודד.אכן, הגיאומטריה התלת-ממדית הספציפית של סריג הקרח הספין היא המפתח ליכולת יוצאת הדופן שלו ליצור מבנים זעירים המחקיםמַגנֶטִימונופולים.
במחקר חדש שפורסם היום ב-Nature Communications, צוות בראשות מדענים מאוניברסיטת קרדיף יצר את העתק התלת-ממד הראשון אי פעם של חומר ספין-קרח תוך שימוש בסוג מתוחכם של הדפסה ועיבוד תלת-ממדיים.
הצוות אומר שטכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית אפשרה להם להתאים את הגיאומטריה של הקרח המלאכותי, כלומר הם יכולים לשלוט באופן שבו המונופולים המגנטיים נוצרים ומסתובבים במערכות.
היכולת לתפעל את המגנטים המיני מונופולים בתלת-ממד יכולה לפתוח שורה שלמה של יישומים, לדבריהם, מאחסון מחשב משופר ועד ליצירת רשתות מחשוב תלת-ממדיות המחקות את המבנה העצבי של המוח האנושי.
"במשך למעלה מ-10 שנים מדענים יוצרים וחוקרים קרח ספין מלאכותי בשני מימדים.על ידי הרחבת מערכות כאלה לתלת מימד אנו מקבלים ייצוג הרבה יותר מדויק של הפיזיקה המונופולית של קרח ספין ומסוגלים לחקור את ההשפעה של משטחים", אמר המחבר הראשי ד"ר סם לדאק מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה של אוניברסיטת קרדיף.
"זו הפעם הראשונה שמישהו הצליח ליצור העתק תלת-ממדי מדויק של ספין-קרח, בעיצובו, בקנה מידה ננו.
הספין-קרח המלאכותי נוצר באמצעות טכניקות ננו-ייצור תלת מימד מתקדמות, שבהן נערמו ננו-חוטים זעירים לארבע שכבות במבנה סריג, שבעצמו נמדד פחות מרוחב של שערה אנושית בסך הכל.
סוג מיוחד של מיקרוסקופיה המכונה מיקרוסקופיה של כוח מגנטי, הרגישה למגנטיות, שימש אז כדי לדמיין את המטענים המגנטיים הקיימים במכשיר, מה שמאפשר לצוות לעקוב אחר תנועת המגנטים החד-קוטביים על פני המבנה התלת-ממדי.
"העבודה שלנו חשובה מכיוון שהיא מראה שניתן להשתמש בטכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות בקנה מידה ננומטרי כדי לחקות חומרים שבדרך כלל מסונתזים באמצעות כימיה", המשיך ד"ר לדאק.
"בסופו של דבר, עבודה זו יכולה לספק אמצעי לייצור מטא-חומרים מגנטיים חדשים, שבהם מאפייני החומר מכוונים על ידי שליטה בגיאומטריה התלת-ממדית של סריג מלאכותי.
"התקני אחסון מגנטיים, כמו כונן דיסק קשיח או התקני זיכרון גישה אקראית מגנטיים, הם תחום נוסף שעלול להיות מושפע מאוד מהפריצה הזו.מכיוון שהמכשירים הנוכחיים משתמשים רק בשניים מתוך שלושת המימדים הזמינים, הדבר מגביל את כמות המידע שניתן לאחסן.מכיוון שניתן להזיז את המונופולים מסביב לרשת התלת-ממדית באמצעות שדה מגנטי, ייתכן שניתן יהיה ליצור התקן אחסון תלת-ממדי אמיתי המבוסס על מטען מגנטי".
זמן פרסום: 28 במאי 2021