Forskere finder en ny måde at omdanne omgivende varme til bevægelse i nanoskalaenheder

Et team af forskere har fundet en ny måde at omdanne omgivende varme til bevægelse i nanoskalaenheder - en opdagelse, der kan åbne nye muligheder for datalagring, sensorer, nanomotorer og andre applikationer i den stadig krympende verden af ​​elektronik.

I et nyt papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , et internationalt team af forskere fra forskellige institutter, herunder University of Glasgow og University of Exeter i Storbritannien, samt fra ETH Zürich og Paul Scherrer Institute i Schweiz, beskrive, hvordan de har skabt et magnetisk system, der er i stand til at udvinde termisk energi på nanoskalaen, ved hjælp af konceptet om et gear kendt som en skralde, og drejning af magnetisk energi til den magnetiserede dirigerede rotation.

Den termiske skralde blev realiseret i et materiale kendt som 'kunstig spin -is, "lavet af en samling af små nanomagneter fra Permalloy, en nikkel-jern legering. De individuelle nanomagneter er kun 470 nanometer lange (eller omkring 200 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår) og 170 nanometer brede, med kun et enkelt magnetisk domæne; det er, magnetiseringen kan kun pege i en af ​​to retninger langs magnetens lange akse. Efter at have brugt et eksternt magnetfelt til at indstille magnetiseringen i en given retning, , forskerne observerede, at magnetiseringen kun roterede i en af ​​to mulige retninger, uden en indlysende grund til, hvorfor den ene måde skal foretrækkes frem for den anden.

Sebastian Gliga, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og Marie Curie Research Fellow ved University of Glasgow, husker:"Det system, vi har studeret, er en kunstig spin-is, en klasse af geometrisk frustrerede magnetiske materialer.

"Vi var overraskede over at se, at geometrien af ​​interaktionerne kan skræddersyes til at opnå et aktivt materiale, der udviser dynamisk chiralitet og dermed fungerer som en skralde." Kiralitet betyder, at et objekt ser anderledes ud end sit spejlbillede, som vores venstre og højre hånd. Chiralitet kan også forekomme i bevægelse:det bedst kendte eksempel er raslebacken, en bådformet top, der foretrækker at snurre i en enkelt retning.

Professor Robert Stamps fra University of Manitoba (tidligere ved University of Glasgow) påpegede, at det er egenskaberne ved samlingens kanter, der bestemmer den termiske skraldeadfærd. "Vi havde fra begyndelsen mistanke om, at grænserne ville påvirke den magnetiske orden og dynamikken kraftigt."

Det var denne idé og forslag til geometrien fra Prof. Stamps, der til sidst førte til den spændende adfærd målt af forskere.

Mekanismen, der førte til den observerede adfærd, var ikke indlysende, imidlertid, og det er kun gennem numerisk modellering, at kanternes præcise rolle blev tydelig. Ifølge professor Gino Hrkac, anden forfatter til rapporten, fra University of Exeter og Royal Society Research Fellow, "Vi forsøgte i nogen tid at forstå, hvordan systemet fungerede, før vi indså, at kanterne skabte et asymmetrisk energipotentiale." Denne asymmetri afspejles i fordelingen af ​​magnetfeltet ved grænserne for nanomagnet -arrayet og får magnetiseringen til at rotere i en foretrukken retning.

For at forestille udviklingen af ​​systemets magnetiske tilstand, forskerne brugte røntgenstråler og den såkaldte røntgenmagnetiske cirkulære dikroiske effekt. Målingerne blev udført ved synkrotron lyskilden Swiss Light Source ved Paul Scherrer Institute i Schweiz og ved Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory i USA.

Ifølge professor Laura Heyderman fra ETH Zürich og Paul Scherrer Institute:"Kunstig spin -is er hovedsageligt blevet brugt til at besvare videnskabelige spørgsmål, for eksempel angående frustrationens fysik. Dette er en god demonstration af, hvordan kunstig spin -is kan være et funktionelt materiale og giver et skridt i retning af applikationer. "

Disse fund etablerer en uventet vej til at transformere magnetisk energi til den magnetiserede bevægelse. Den effekt, der nu findes i de todimensionale magnetiske strukturer, kommer med løftet om, at den vil være praktisk anvendelig i nanoskalaenheder, såsom magnetiske nanomotorer, aktuatorer, eller sensorer. Ja, fordi vinkelmomentum bevares, og spin er en type vinkelmomentum, ændringen i systemets magnetiske moment kan i princippet inducere en fysisk rotation af systemet (gennem Einstein–de Haas-effekten). Det kan også finde applikationer i magnetisk hukommelse, hvor bits kunne lagres gennem lokal opvarmning med laserpulser.

Papiret, med titlen "Emergent dynamic chirality in a termically driven artificial spin ratchet, " er udgivet i Naturmaterialer .