Hvordan man fanger en magnetisk monopol på akt

Et forskerhold ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skabt en nanoskala "legeplads" på en chip, der simulerer dannelsen af ​​eksotiske magnetiske partikler kaldet monopoler. Undersøgelsen - offentliggjort for nylig i Videnskabens fremskridt - kunne låse op for hemmelighederne til stadigt mindre, mere kraftfulde hukommelsesenheder, mikroelektronik, og næste generations harddiske, der anvender kraften fra magnetisk spin til at lagre data.

Følg 'is-reglerne'

Årevis, andre forskere har forsøgt at skabe en virkelighedsmodel af en magnetisk monopol - en teoretisk magnetisk, subatomare partikel, der har en enkelt nord- eller sydpol. Disse undvigende partikler kan simuleres og observeres ved at fremstille kunstige spin-ismaterialer - store rækker af nanomagneter, der har strukturer analoge med vandis - hvor arrangementet af atomer ikke er perfekt symmetrisk, fører til resterende nord- eller sydpoler.

Modsætninger tiltrækker i magnetisme (nordpoler trækkes til sydpoler, og vice versa), så disse enkelte poler forsøger at bevæge sig for at finde deres perfekte match. Men fordi konventionelle kunstige spin-is er 2-D-systemer, monopolerne er meget begrænset, og er derfor ikke realistiske repræsentationer af, hvordan magnetiske monopoler opfører sig, sagde hovedforfatter Alan Farhan, som var postdoc ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) på tidspunktet for undersøgelsen, og er nu hos Paul Scherrer Instituttet i Schweiz.

For at overvinde denne forhindring, det Berkeley Lab-ledede team simulerede et 3-D-system i nanoskala, der følger "is-regler, "et princip, der styrer, hvordan atomer arrangerer sig i is dannet af vand eller mineralet pyrochlor.

"Dette er et afgørende element i vores arbejde, " sagde Farhan. "Med vores 3-D system, en nordmonopol eller sydmonopol kan bevæge sig, hvorhen den vil hen, at interagere med andre partikler i sit miljø som en isoleret magnetisk ladning ville – med andre ord, som en monopol."

En nanoverden på en chip

Holdet brugte sofistikerede litografiværktøjer udviklet på Berkeley Labs Molecular Foundry, et videnskabeligt forskningsanlæg i nanoskala, at mønstre en 3-D, firkantet gitter af nanomagneter. Hver magnet i gitteret er på størrelse med en bakterie og hviler på en flad, 1 centimeter gange 1 centimeter silicium wafer.

"Det er en nanoverden - med lille arkitektur på en lille oblat, "men atomisk konfigureret nøjagtigt som naturlig is, sagde Farhan.

At bygge nanostrukturen, forskerne syntetiserede to eksponeringer, hver enkelt justeret inden for 20 til 30 nanometer. På Molecular Foundry, medforfatter Scott Dhuey fremstillede nanomønstre af fire typer strukturer på en lille siliciumchip. Chipsene blev derefter undersøgt på ALS, et synkrotronlyskildeforskningsanlæg åbent for besøgende videnskabsmænd fra hele verden. Forskerne brugte en teknik kaldet X-ray photoemission electron microscopy (PEEM), retter kraftige stråler af røntgenlys, der er følsomme over for magnetiske strukturer, mod nanomønstrene for at observere, hvordan monopoler kan dannes og bevæge sig som reaktion på ændringer i temperatur.

I modsætning til PEEM-mikroskoper ved andre lyskilder, Berkeley Labs PEEM3 mikroskop har en højere røntgenindfaldsvinkel, minimere skyggeeffekter - som ligner de skygger, som en bygning kaster, når solen rammer overfladen i en bestemt vinkel. "Faktisk, de optagne billeder afslører ingen som helst skyggeeffekt, " sagde Farhan. "Dette gør PEEM3 til det mest afgørende element for dette projekts succes."

Farhan tilføjede, at PEEM3 er det eneste mikroskop i verden, der giver brugerne fuld temperaturkontrol i området under 100 Kelvin (under minus 280 grader Fahrenheit), at fange i realtid, hvordan nye magnetiske monopoler dannes, når kunstig frossen is smelter til en væske, og når væske fordamper til en gaslignende tilstand af magnetiske ladninger - en form for stof kendt som plasma.

Forskerne håber nu at mønstre mindre og mindre nanomagneter til fremme af mindre, men kraftigere spintronik - et eftertragtet område af mikroelektronik, der udnytter partiklernes magnetiske spin-egenskaber for at lagre flere data i mindre enheder såsom magnetiske harddiske.

Sådanne enheder ville bruge magnetiske film og superledende tynde film til at implementere og manipulere magnetiske monopoler til at sortere og lagre data baseret på nord- eller sydretningen af ​​deres poler - analogt med dem og nuller i konventionelle magnetiske lagerenheder.