Ученые сделали шаг к созданию мощных устройств, которые используютмагнитный зарядить, создав первую в истории трехмерную копию материала, известного как спин-лед.
Материалы на основе спинового льда крайне необычны, поскольку они обладают так называемыми дефектами, которые ведут себя как один полюс магнита.
Эти однополюсные магниты, также известные как магнитные монополи, не существуют в природе; если разрезать любой магнитный материал на две части, всегда получится новый магнит с северным и южным полюсами.
В течение десятилетий ученые повсюду искали доказательства существования природныхмагнитный монополи в надежде, наконец, сгруппировать фундаментальные силы природы в так называемую теорию всего, поместив всю физику под одну крышу.
Однако в последние годы физикам удалось создать искусственные версии магнитного монополя путем создания двумерных спин-ледяных материалов.
На сегодняшний день эти структуры успешно продемонстрировали магнитный монополь, но невозможно получить те же физические свойства, если материал ограничен одной плоскостью. Именно особая трёхмерная геометрия решётки спинового льда является ключом к его необычной способности создавать крошечные структуры, имитирующие…магнитныймонополи.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications, группа под руководством ученых из Кардиффского университета создала первую в истории 3D-копию материала из спинового льда, используя сложный тип 3D-печати и обработки.
Команда утверждает, что технология 3D-печати позволила им задать геометрию искусственного спин-льда, а значит, они могут контролировать формирование и перемещение магнитных монополей в системах.
По их словам, возможность манипулировать мини-монопольными магнитами в 3D может открыть целый ряд приложений — от усовершенствованного хранения данных на компьютерах до создания 3D-вычислительных сетей, имитирующих нейронную структуру человеческого мозга.
«Более 10 лет учёные создают и изучают искусственный спиновый лёд в двух измерениях. Распространяя такие системы на трёхмерные, мы получаем гораздо более точное представление о физике монополей спинового льда и можем изучать влияние поверхностей», — заявил ведущий автор, доктор Сэм Ладак из Школы физики и астрономии Кардиффского университета.
«Это первый случай, когда кому-либо удалось создать точную трехмерную копию спинового льда по замыслу разработчика в наномасштабе».
Искусственный спин-лед был создан с использованием новейших технологий 3D-нанопроизводства, в которых крошечные нанопровода были уложены в четыре слоя в решетчатой структуре, которая сама по себе по размеру меньше ширины человеческого волоса.
Затем для визуализации магнитных зарядов, присутствующих на устройстве, использовался особый тип микроскопии, известный как магнитно-силовая микроскопия, которая чувствительна к магнетизму, что позволило команде отслеживать движение однополюсных магнитов по трехмерной структуре.
«Наша работа важна, поскольку она показывает, что технологии наномасштабной 3D-печати могут использоваться для имитации материалов, которые обычно синтезируются химическим путем», — продолжил доктор Ладак.
«В конечном итоге эта работа может предоставить способ создания новых магнитных метаматериалов, в которых свойства материала настраиваются путем управления трехмерной геометрией искусственной решетки.
Магнитные устройства хранения данных, такие как жёсткие диски или магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом, — ещё одна область, на которую этот прорыв может оказать огромное влияние. Поскольку существующие устройства используют только два из трёх доступных измерений, это ограничивает объём хранимой информации. Поскольку монополи можно перемещать по трёхмерной решётке с помощью магнитного поля, возможно, удастся создать настоящее трёхмерное устройство хранения данных, основанное на магнитном заряде.
Время публикации: 28 мая 2021 г.