Gennembrud inden for 3D-magnetiske nanostrukturer kan transformere moderne databehandling

Forskere har taget et skridt i retning af skabelsen af ​​kraftfulde enheder, der udnytter magnetisk ladning ved at skabe den første tredimensionelle replika nogensinde af et materiale kendt som en spin-is.

Spin-ismaterialer er ekstremt usædvanlige, da de har såkaldte defekter, der opfører sig som en magnets enkeltpol.

Disse enpolede magneter, også kendt som magnetiske monopoler, findes ikke i naturen; når hvert magnetisk materiale skæres i to vil det altid skabe en ny magnet med en nord- og sydpol.

I årtier har videnskabsmænd ledt vidt og bredt efter beviser for naturligt forekommende magnetiske monopoler i håbet om endelig at gruppere naturens grundlæggende kræfter i en såkaldt teori om alting, samle al fysik under ét tag.

Imidlertid, i de senere år har fysikere formået at producere kunstige versioner af en magnetisk monopol gennem skabelsen af ​​todimensionelle spin-is materialer.

Til dato har disse strukturer med succes demonstreret en magnetisk monopol, men det er umuligt at opnå den samme fysik, når materialet er begrænset til et enkelt plan. Ja, det er den specifikke tredimensionelle geometri af spin-is-gitteret, der er nøglen til dets usædvanlige evne til at skabe små strukturer, der efterligner magnetiske monopoler.

I en ny undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkommunikation , et hold ledet af videnskabsmænd ved Cardiff University har skabt den første 3D-replika nogensinde af et spin-is-materiale ved hjælp af en sofistikeret type 3D-print og -behandling.

Holdet siger, at 3D-printteknologien har givet dem mulighed for at skræddersy geometrien af ​​den kunstige spin-is, hvilket betyder, at de kan styre den måde, de magnetiske monopoler dannes og flyttes rundt i systemerne.

At være i stand til at manipulere mini-monopolmagneterne i 3D kunne åbne op for en lang række applikationer, siger de, fra forbedret computerlagring til skabelsen af ​​3D-computernetværk, der efterligner den menneskelige hjernes neurale struktur.

"I over 10 år har videnskabsmænd skabt og studeret kunstig spin-is i to dimensioner. Ved at udvide sådanne systemer til tre-dimensioner får vi en meget mere præcis repræsentation af spin-is monopolfysik og er i stand til at studere virkningen af ​​overflader, " sagde hovedforfatter Dr. Sam Ladak fra Cardiff University's School of Physics and Astronomy.

"Dette er første gang, nogen har været i stand til at skabe en nøjagtig 3D-replika af en spin-is, af design, på nanoskalaen."

Den kunstige spin-is blev skabt ved hjælp af state-of-the-art 3D nanofabrikationsteknikker, hvor små nanotråde blev stablet i fire lag i en gitterstruktur, som i sig selv målte mindre end et menneskehårs bredde samlet set.

En speciel type mikroskopi kendt som magnetisk kraftmikroskopi, som er følsom over for magnetisme, blev derefter brugt til at visualisere de magnetiske ladninger til stede på enheden, giver holdet mulighed for at spore bevægelsen af ​​de enpolede magneter hen over 3D-strukturen.

"Vores arbejde er vigtigt, da det viser, at 3D-printteknologier i nanoskala kan bruges til at efterligne materialer, der normalt syntetiseres via kemi, " fortsatte Dr. Ladak.

"Ultimativt, dette arbejde kunne give et middel til at producere nye magnetiske metamaterialer, hvor materialeegenskaberne er tunet ved at styre 3D-geometrien af ​​et kunstigt gitter.

"Magnetiske lagerenheder, en harddisk eller magnetiske hukommelsesenheder med random access, er et andet område, der kan blive massivt påvirket af dette gennembrud. Da nuværende enheder kun bruger to ud af de tre tilgængelige dimensioner, dette begrænser mængden af ​​information, der kan gemmes. Da monopolerne kan flyttes rundt i 3D-gitteret ved hjælp af et magnetfelt, kan det være muligt at skabe en ægte 3D-lagringsenhed baseret på magnetisk ladning."