Magneter, Hele vejen ned!

På mange måder, magneter er stadig mystiske. De får deres (ofte kraftige) virkninger fra de mikroskopiske interaktioner mellem individuelle elektroner, og fra samspillet mellem deres kollektive adfærd på forskellige skalaer. Men hvis du ikke kan flytte disse elektroner rundt for at studere, hvordan faktorer som symmetri påvirker de større magnetiske effekter, hvad kan du gøre i stedet for?

Det viser sig, at samlinger af metalliske nanopartikler, som omhyggeligt kan arrangeres i flere længdeskalaer, opfører sig som bulkmagneter og viser spændende, formafhængig adfærd. Effekterne, rapporteret i denne uge i Journal of Applied Physics , fra AIP Publishing, kunne hjælpe med at forbedre højdensitetsinformationslagring og spintronics-teknologier.

"Værket var inspireret af spørgsmålet [om] hvordan den magnetiske interaktion mellem nanopartikler påvirker den magnetiske opførsel af systemet som helhed, da sådanne array-strukturer bruges, for eksempel, i lagermedier med høj densitet, " sagde Alexander Fabian, hovedforfatter af undersøgelsen fra Justus-Liebig University Giessen i Tyskland. "For at studere indflydelsen af ​​[formen] af nanopartikelsamlingerne, samt afstanden mellem dem, vi kom op med ideen om et hierarkisk design af prøverne, hvor de tilsvarende parametre kan varieres systematisk."

runden, metalliske Fe304 nanokomponenter Fabian og hans kolleger brugte i deres undersøgelse blev arrangeret til at danne forskellige former i tre forskellige længdeskalaer. Ved hjælp af elektronstrålelitografi, en moderniseret litografimetode, der bruger elektroner til at skrive den ønskede struktur, de konfigurerede nanopartiklerne til tætpakkede former, såsom trekanter, med den ene side, der måler omkring 10 partikler i længden. Et formet gitter af de mindre konfigurationer, med en afstand på cirka en mikron, omfattede det tredje hierarki af længdeskalaerne.

"Til forberedelsen af ​​prøverne brugte vi litografiske metoder, som tillader den præcise kontrol af afstanden og formen af ​​nanopartikelsamlingerne, " sagde Fabian. "For hvert af de tre hierarkiske niveauer, der er to bidrag, nemlig den gitterlignende del og den formlignende del. Det høje antal muligheder i prøvedesign gør dette til et udfordrende aspekt at finde systemer med de mest lovende fysiske egenskaber."

Formerne konfigureret i hver (under-)skala blev valgt ud fra deres relative symmetrier, for at isolere virkningerne målt til deres kausale dimensionsskala.

"Symmetrierne af gitteret og formerne blev her valgt for ikke at forstyrre hinanden. F.eks. de cirkulært formede samlinger blev kombineret med forskellige typer gitter, " sagde Fabian. "Samlinger af forskellige former, såsom trekanter, firkanter eller cirkler, udviser en vinkelafhængighed af den magnetiske anisotropi (retningsafhængighed) svarende til formen af ​​samlingen."

Med disse smarte designs, gruppen var i stand til at demonstrere en storstilet magnet, bygget fra nanopartikler og op. Selvom deres strukturer virkede som bulk ferromagneter, de præcise målinger overraskede dem.

"Vores resultater viser, at på de valgte længdeskalaer, kun formen af ​​samlingerne påvirker den magnetiske adfærd, afslører, at samlingerne af nanopartikler opfører sig som en enkelt bulk ferromagnet." sagde Fabian. "Det mest overraskende var, at partiklerne ser ud til at opføre sig som en bulk ferromagnet, men med en anden magnetiseringsværdi end for bulkmateriale, hvilket er et interessant punkt for fremtidige undersøgelser."

Eksperimenter som disse kan tilbyde værdifulde, grundlæggende indsigt i de nyeste magnetiske teknologier, som udgør en stor del af elektronikmarkedet. Men mere grundlæggende, disse nanoskopisk bottom-up tilgange demonstrerer kontrollerbare metoder til at sondere de grundlæggende fibre, der omfatter bulk og kollektive elektromagnetiske egenskaber.

"Fra et grundlæggende synspunkt, det er meget interessant at undersøge nanosystemer som nanopartikler. Da de kan fremstilles på en meget kontrolleret måde, de kan også studeres i en systematisk tilgang. Egenskaber af nanopartikler, der er forskellige fra bulk, eller endda nye egenskaber som superparamagnetisme, i nanopartikler gør dem også interessante for grundforskning."