3D-printede nanomagneter afslører en verden af ​​mønstre i magnetfeltet

Forskere har brugt state-of-the-art 3D-print og mikroskopi til at give et nyt glimt af, hvad der sker, når man tager magneter til tre dimensioner på nanoskalaen - 1000 gange mindre end et menneskehår.

Det internationale hold ledet af Cambridge Universitys Cavendish Laboratory brugte en avanceret 3D-printteknik, de udviklede til at skabe magnetiske dobbeltspiraler - som den dobbelte helix af DNA - der snoer sig rundt om hinanden og kombinerer krumning, chiralitet og stærke magnetiske feltinteraktioner mellem helixerne. Ved at gøre det opdagede forskerne, at disse magnetiske dobbeltspiraler producerer topologiske teksturer i nanoskala i magnetfeltet, noget der aldrig var blevet set før, hvilket åbnede døren til den næste generation af magnetiske enheder. Resultaterne er publiceret i Nature Nanotechnology .

Magnetiske enheder påvirker mange forskellige dele af vores samfund, magneter bruges til generering af energi, til datalagring og databehandling. Men magnetiske computerenheder nærmer sig hurtigt deres krympende grænse i todimensionelle systemer. For den næste generation af computere er der stigende interesse for at flytte til tre dimensioner, hvor der ikke kun kan opnås højere tætheder med 3D nanotrådsarkitekturer, men tredimensionelle geometrier kan ændre de magnetiske egenskaber og tilbyde nye funktionaliteter.

"Der har været en masse arbejde omkring en endnu ikke-etableret teknologi kaldet racerbanehukommelse, først foreslået af Stuart Parkin. Idéen er at lagre digitale data i de magnetiske domænevægge af nanotråde for at producere informationslagringsenheder med høj pålidelighed , ydeevne og kapacitet," sagde Claire Donnelly, undersøgelsens første forfatter fra Cambridges Cavendish Laboratory, som for nylig er flyttet til Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids.

"Men indtil nu har denne idé altid været meget svær at realisere, fordi vi skal kunne lave tredimensionelle magnetiske systemer, og vi skal også forstå effekten af ​​at gå til tre dimensioner på både magnetiseringen og magnetfeltet. "

"Så i løbet af de sidste par år har vores forskning fokuseret på at udvikle nye metoder til at visualisere tredimensionelle magnetiske strukturer – tænk på en CT-scanning på et hospital, men for magneter. Vi udviklede også en 3D-printteknik til magnetiske materialer."

3D-målingerne blev udført ved PolLux-strålelinjen fra den schweiziske lyskilde på Paul Scherrer-instituttet, som i øjeblikket er den eneste strålelinje, der kan tilbyde blød røntgenlaminografi. Ved at bruge disse avancerede røntgenbilledteknikker observerede forskerne, at 3D DNA-strukturen fører til en anden tekstur i magnetiseringen sammenlignet med, hvad der ses i 2D. Par af vægge mellem magnetiske domæner (områder, hvor magnetiseringen alle peger i samme retning) i nabospiraler er stærkt koblede - og som et resultat deformeres. Disse vægge tiltrækker hinanden og roterer på grund af 3D-strukturen, "låser" på plads og danner stærke, regelmæssige bindinger, der ligner baseparrene i DNA.

"Vi fandt ikke kun ud af, at 3D-strukturen fører til interessante topologiske nanoteksturer i magnetiseringen, hvor vi er relativt vant til at se sådanne teksturer, men også i det magnetiske strøgfelt, som afslørede spændende nye nanoskalafeltkonfigurationer!" sagde Donnelly.

"Denne nye evne til at mønstre magnetfeltet på denne længdeskala giver os mulighed for at definere, hvilke kræfter der vil blive anvendt på magnetiske materialer og at forstå, hvor langt vi kan gå med at mønstre disse magnetiske felter. Hvis vi kan kontrollere disse magnetiske kræfter på nanoskalaen, vi kommer tættere på at nå samme grad af kontrol, som vi har i to dimensioner."

"Resultatet er fascinerende - teksturerne i den DNA-lignende dobbeltspiral danner stærke bindinger mellem spiralerne og deformerer deres form som et resultat," forklarede hovedforfatter Amalio Fernandez-Pacheco, tidligere Cavendish-forsker, der nu arbejder ved Institute of Nanoscience &Materialer fra Aragón. "Men hvad der er mere spændende er, at omkring disse bindinger danner hvirvler i magnetfeltet - topologiske teksturer!"

Efter at være gået fra to til tre dimensioner med hensyn til magnetiseringen, vil Donnelly og hendes samarbejdspartnere fra Paul Scherrer Institute og universiteterne i Glasgow, Zaragoza, Oviedo og Wien nu udforske det fulde potentiale ved at gå fra to til tre dimensioner mht. magnetfeltet.

"Udsigterne for dette arbejde er mange:disse stærkt forbundne teksturer i de magnetiske helixer lover meget robust bevægelse og kan være en potentiel bærer af information," sagde Fernandez-Pacheco. "Endnu mere spændende er dette nye potentiale til at mønstre magnetfeltet på nanoskala, dette kan give nye muligheder for partikelfangning, billeddannelsesteknikker såvel som smarte materialer." + Udforsk yderligere

Ser magnetiske nano-'tornadoer' i 3D