Forskere skaber meget velordnet kunstig spin-is ved hjælp af nanoteknologi

(PhysOrg.com) - Et internationalt team af forskere er lykkedes med at skabe kunstig spin-is i en tilstand af termisk ligevægt for første gang, giver dem mulighed for at undersøge den præcise konfiguration af dette vigtige nanomateriale.

Forskere fra University of Leeds, US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory og UK Science and Technology Facilities Council's Rutherford Appleton Laboratory siger, at gennembruddet vil give dem mulighed for at studere meget mere detaljeret et videnskabeligt fænomen kendt som 'magnetiske monopoler', som menes at eksistere i sådanne strukturer. Deres resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturfysik .

Kunstig spin-is er bygget ved hjælp af nanoteknologi og består af millioner af små magneter, hver tusinde gange mindre end et sandkorn. Magneterne findes i et gitter i det, der er kendt som en 'frustreret' struktur. Som vandis, strukturens geometri betyder, at alle vekselvirkningerne mellem atomerne ikke kan opfyldes på samme tid.

"Det er som at prøve at placere skiftende mandlige og kvindelige spisende gæster omkring et bord med et ulige antal pladser - uanset hvor meget du omarrangerer dem, vil du aldrig lykkes, " sagde Dr Christopher Marrows fra University of Leeds, medforfatter til avisen.

I spin-is, magnetiske dipoler med en nord- og sydpol er arrangeret i tetraederstrukturer. Hver dipol har magnetiske momenter, ligner protonerne på H2O-molekyler i vandis, som tiltrækker og frastøder hinanden. Følgelig, dipolerne arrangerer sig selv i den lavest mulige energitilstand, som er to poler, der peger ind og to, der peger ud.

Dr. Marrows sagde:"Spin ices har skabt en masse spænding i de seneste år, da det er blevet indset, at de er en legeplads for fysikere, der studerer magnetiske monopol-excitationer og Dirac-strengfysik i fast tilstand. Men, Indtil nu har alle prøverne af disse kunstige strukturer skabt i laboratoriet været, hvad vi kalder 'fastklemt'.

"Det, vi har gjort, er at finde en måde at løsne spindeis og få den til en velordnet grundtilstand kendt som termisk ligevægt. Vi kan derefter fryse en prøve til denne tilstand, og brug et mikroskop til at se, hvilken vej alle de små magneter peger. Det svarer til at kunne tage et billede af hvert atom i et rum, da det giver os mulighed for at inspicere præcis, hvordan strukturen er konfigureret."

Jason Morgan, Ph.d.-studerende ved University of Leeds og hovedforfatter af papiret, var det første medlem af holdet, der observerede prøven i ligevægt. Han sagde:"At få prøven til selvorden på en sådan måde er aldrig blevet opnået eksperimentelt før, og i et stykke tid var blevet anset for umuligt. Men da vi så på prøven ved hjælp af magnetisk kraftmikroskopi og så denne smukke periodiske struktur, kendte vi med det samme. at vi havde opnået en ordnet grundtilstand."

Forskerne har også været i stand til at observere individuelle excitationer ud af denne grundtilstand i deres prøve, som de siger er bevis for monopoldynamik i gitteret.

Magnetiske monopoler – magneter med kun en enkelt nord- eller sydpol ¬¬– er tidligere hypotetiske partikler, som nu menes at eksistere i spin-is. Der er håb blandt videnskabsmænd om, at en mere detaljeret forståelse af disse monopoler kan føre til fremskridt inden for et nyt teknologifelt kendt som 'magnetricitet' - en magnetisk ækvivalent til elektricitet.

Medforfatter Sean Langridge, en Science and Technology Facilities Council (STFC) Fellow og gæsteprofessor ved University of Leeds, tilføjet:"I de naturligt forekommende spin-is-systemer er denne grundtilstand forudsagt, men er ikke blevet observeret eksperimentelt.

"Nu, det er blevet observeret i et kunstigt system, er næste skridt at observere excitationerne fra denne grundtilstand dynamisk. Vi kan kun gøre dette ved at kontrollere interaktionerne med de nyeste litografiske teknikker. Dette kontrolniveau vil give en jævn større niveau af forståelse i dette fascinerende system."

Holdet skabte "kunstige" spin-isprøver ved Brookhaven ved hjælp af et avanceret nanoteknologisk værktøj kaldet en elektronstråleskriver. En lignende £4 millioner facilitet skal snart åbnes på University of Leeds, som vil være unik for Storbritannien og vil tillade fortsat samarbejde med forskerne ved Brookhaven.