Ученые сделали шаг к созданию мощных устройств, использующихмагнитный зарядить, создав первую в истории трехмерную копию материала, известного как спин-лед.
Материалы спинового льда чрезвычайно необычны, поскольку обладают так называемыми дефектами, которые ведут себя как одиночный полюс магнита.
Эти однополюсные магниты, также известные как магнитные монополи, не существуют в природе;когда каждый магнитный материал разрезается на две части, всегда создается новый магнит с северным и южным полюсом.
На протяжении десятилетий ученые повсюду искали доказательства естественного происхождениямагнитный монополи в надежде наконец сгруппировать фундаментальные силы природы в так называемую теорию всего, собрав всю физику под одной крышей.
Однако в последние годы физикам удалось создать искусственные версии магнитного монополя путем создания двумерных материалов спинового льда.
На сегодняшний день эти структуры успешно продемонстрировали магнитный монополь, но невозможно получить ту же физику, когда материал ограничен одной плоскостью.Действительно, именно специфическая трехмерная геометрия решетки спинового льда является ключом к ее необычной способности создавать крошечные структуры, имитирующиемагнитныймонополи.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications, группа ученых из Кардиффского университета создала первую в мире 3D-копию материала спинового льда, используя сложный тип 3D-печати и обработки.
Команда утверждает, что технология 3D-печати позволила им адаптировать геометрию искусственного спин-льда, а это означает, что они могут контролировать то, как магнитные монополи формируются и перемещаются в системах.
По их словам, возможность манипулировать мини-монопольными магнитами в 3D может открыть целый ряд приложений, от расширения компьютерной памяти до создания 3D-вычислительных сетей, имитирующих нейронную структуру человеческого мозга.
«Более 10 лет учёные создают и изучают искусственный спин-лёд в двух измерениях.Расширяя такие системы до трехмерных измерений, мы получаем гораздо более точное представление о физике монополей спинового льда и можем изучать влияние поверхностей», — сказал ведущий автор доктор Сэм Ладак из Школы физики и астрономии Кардиффского университета.
«Это первый случай, когда кому-либо удалось создать точную 3D-копию спин-льда в наномасштабе».
Искусственный спин-лед был создан с использованием новейших технологий 3D-нанопроизводства, в которых крошечные нанопроволоки были уложены в четыре слоя в решетчатую структуру, общая ширина которой сама по себе составляла менее ширины человеческого волоса.
Затем для визуализации магнитных зарядов, присутствующих на устройстве, был использован 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 наноразмерной 3D-печати можно использовать для имитации материалов, которые обычно синтезируются химическим путем», — продолжил доктор Ладак.
«В конечном счете, эта работа может предоставить средства для производства новых магнитных метаматериалов, в которых свойства материала настраиваются путем управления трехмерной геометрией искусственной решетки.
«Магнитные запоминающие устройства, такие как жесткий диск или магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом, — это еще одна область, на которую этот прорыв может оказать огромное влияние.Поскольку современные устройства используют только два из трех доступных измерений, это ограничивает объем информации, которую можно хранить.Поскольку монополи можно перемещать по трехмерной решетке с помощью магнитного поля, возможно, удастся создать настоящее трехмерное запоминающее устройство на основе магнитного заряда».
Время публикации: 28 мая 2021 г.