Doorbraak in 3D magnetische nanostructuren zou het moderne computergebruik kunnen transformeren

Wetenschappers hebben een stap gezet in de richting van het creëren van krachtige apparaten die magnetische lading benutten door de allereerste driedimensionale replica ooit te maken van een materiaal dat bekend staat als een spinijs.

Spinijsmaterialen zijn buitengewoon ongebruikelijk omdat ze zogenaamde defecten bezitten die zich gedragen als de enkele pool van een magneet.

Deze enkelpolige magneten, ook wel magnetische monopolen genoemd, komen in de natuur niet voor; wanneer elk magnetisch materiaal in tweeën wordt gesneden, ontstaat er altijd een nieuwe magneet met een noord- en zuidpool.

Al decennia lang hebben wetenschappers heinde en verre gezocht naar bewijs van natuurlijk voorkomende magnetische monopolen in de hoop eindelijk de fundamentele krachten van de natuur te groeperen in een zogenaamde theorie van alles, waardoor de hele fysica onder één dak wordt gebracht.

De laatste jaren zijn natuurkundigen er echter in geslaagd kunstmatige versies van een magnetische monopool te produceren door tweedimensionale spin-ijsmaterialen te creëren.

Tot op heden hebben deze structuren met succes een magnetische monopool aangetoond, maar het is onmogelijk om dezelfde fysica te verkrijgen als het materiaal beperkt is tot een enkel vlak. Het is inderdaad de specifieke driedimensionale geometrie van het spin-ijsrooster dat de sleutel is tot zijn ongebruikelijke vermogen om kleine structuren te creëren die magnetische monopolen nabootsen.

In een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in Nature Communicationsheeft een team onder leiding van wetenschappers van Cardiff University de allereerste 3D-replica gemaakt van een spin-ijsmateriaal met behulp van een geavanceerd type 3D-printen en -verwerking.

Het team zegt dat de 3D-printtechnologie hen in staat heeft gesteld om de geometrie van het kunstmatige spinijs aan te passen, wat betekent dat ze de manier kunnen bepalen waarop de magnetische monopolen worden gevormd en verplaatst in de systemen.

Het kunnen manipuleren van de mini-monopoolmagneten in 3D zou een hele reeks toepassingen kunnen openen, zeggen ze, van verbeterde computeropslag tot het creëren van 3D-computernetwerken die de neurale structuur van het menselijk brein nabootsen.

“Wetenschappers maken en bestuderen al meer dan 10 jaar kunstmatig spinijs in twee dimensies. Door dergelijke systemen uit te breiden tot drie dimensies, krijgen we een veel nauwkeurigere weergave van de spin-ijs monopoolfysica en kunnen we de impact van oppervlakken bestuderen, ‘zei hoofdauteur dr. Sam Ladak van de School of Physics and Astronomy van Cardiff University.

“Dit is de eerste keer dat iemand een exacte 3D-replica van een spinijs op nanoschaal kan maken.”

Het kunstmatige spinijs werd gemaakt met behulp van de modernste 3D-nanofabricagetechnieken waarbij kleine nanodraden in vier lagen werden gestapeld in een roosterstructuur, die zelf minder dan de totale breedte van een mensenhaar meet.

Een speciaal type microscopie dat bekend staat als magnetische krachtmicroscopie, dat gevoelig is voor magnetisme, werd vervolgens gebruikt om de magnetische ladingen op het apparaat te visualiseren, waardoor het team de beweging van de enkelpolige magneten over de 3D-structuur kon volgen.

“Ons werk is belangrijk omdat het aantoont dat 3D-printtechnologieën op nanoschaal kunnen worden gebruikt om materialen na te bootsen die gewoonlijk via chemie worden gesynthetiseerd”, vervolgde Dr. Ladak.

“Uiteindelijk zou dit werk een middel kunnen zijn om nieuwe magnetische metamaterialen te produceren, waarbij de materiaaleigenschappen worden afgestemd door de 3D-geometrie van een kunstmatig rooster te regelen.

“Magnetische opslagapparaten, zoals een harde schijf of apparaten met magnetische random access memory, zijn een ander gebied dat enorm kan worden beïnvloed door deze doorbraak. Aangezien de huidige apparaten slechts twee van de drie beschikbare dimensies gebruiken, beperkt dit de hoeveelheid informatie die kunnen worden opgeslagen. Aangezien de monopolen met behulp van een magnetisch veld over het 3D-rooster kunnen worden bewogen, is het wellicht mogelijk om een ​​echt 3D-opslagapparaat te creëren op basis van magnetische lading. ”