Forskere har tatt et skritt mot å lage kraftige enheter som utnyttermagnetisk lading ved å lage den aller første tredimensjonale kopien av et materiale kjent som spin-is.
Spin-ismaterialer er ekstremt uvanlige, ettersom de har såkalte defekter som oppfører seg som den enkle polen til en magnet.
Disse enpolsmagnetene, også kjent som magnetiske monopoler, finnes ikke i naturen; når hvert magnetiske materiale deles i to, vil det alltid lage en ny magnet med en nordpol og en sørpol.
I flere tiår har forskere lett vidt og bredt etter bevis på naturlig forekommendemagnetisk monopoler i håp om endelig å gruppere naturens grunnleggende krefter i en såkalt teori om alt, og sette all fysikk under ett tak.
Imidlertid har fysikere de siste årene klart å produsere kunstige versjoner av en magnetisk monopol ved å lage todimensjonale spin-is-materialer.
Til dags dato har disse strukturene vellykket demonstrert en magnetisk monopol, men det er umulig å oppnå den samme fysikken når materialet er begrenset til et enkelt plan. Det er faktisk den spesifikke tredimensjonale geometrien til spin-is-gitteret som er nøkkelen til dets uvanlige evne til å lage ørsmå strukturer som etterlignermagnetiskmonopoler.
I en ny studie publisert i dag i Nature Communications, har et team ledet av forskere ved Cardiff University laget den aller første 3D-replikaen av et spin-is-materiale ved hjelp av en sofistikert type 3D-printing og -prosessering.
Teamet sier at 3D-printingsteknologien har gjort det mulig for dem å skreddersy geometrien til den kunstige spin-isen, noe som betyr at de kan kontrollere måten de magnetiske monopolene dannes og beveges rundt i systemene.
De sier at det å kunne manipulere mini-monopolmagnetene i 3D kan åpne opp for en hel rekke bruksområder, fra forbedret datalagring til etableringen av 3D-datanettverk som etterligner den nevrale strukturen til den menneskelige hjernen.
«I over 10 år har forskere laget og studert kunstig spin-is i to dimensjoner. Ved å utvide slike systemer til tre dimensjoner får vi en mye mer nøyaktig representasjon av spin-is monopolfysikk og kan studere overflatenes påvirkning», sa hovedforfatter Dr. Sam Ladak fra Cardiff Universitys School of Physics and Astronomy.
«Dette er første gang noen har klart å lage en eksakt 3D-kopi av en spin-is, med vilje, på nanoskala.»
Den kunstige spin-isen ble laget ved hjelp av toppmoderne 3D-nanofabrikasjonsteknikker der ørsmå nanotråder ble stablet i fire lag i en gitterstruktur, som i seg selv målte mindre enn et menneskehårs bredde totalt.
En spesiell type mikroskopi kjent som magnetisk kraftmikroskopi, som er følsom for magnetisme, ble deretter brukt til å visualisere de magnetiske ladningene som er tilstede på enheten, slik at teamet kunne spore bevegelsen til de enpolede magnetene over 3D-strukturen.
«Arbeidet vårt er viktig siden det viser at nanoskala 3D-utskriftsteknologier kan brukes til å etterligne materialer som vanligvis syntetiseres via kjemi», fortsatte Dr. Ladak.
«Til syvende og sist kan dette arbeidet gi et middel til å produsere nye magnetiske metamaterialer, der materialegenskapene justeres ved å kontrollere 3D-geometrien til et kunstig gitter.»
«Magnetiske lagringsenheter, som harddisker eller magnetiske RAM-enheter, er et annet område som kan bli kraftig påvirket av dette gjennombruddet. Ettersom nåværende enheter bare bruker to av de tre tilgjengelige dimensjonene, begrenser dette mengden informasjon som kan lagres. Siden monopolene kan flyttes rundt i 3D-gitteret ved hjelp av et magnetfelt, kan det være mulig å lage en ekte 3D-lagringsenhet basert på magnetisk ladning.»
Publisert: 28. mai 2021