Een team van wetenschappers heeft een nieuwe manier gevonden om omgevingswarmte om te zetten in beweging in apparaten op nanoschaal - een ontdekking die nieuwe mogelijkheden zou kunnen bieden voor gegevensopslag, sensoren, nanomotoren en andere toepassingen in de steeds kleiner wordende wereld van de elektronica.

In een nieuw artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuurmaterialen , een internationaal team van onderzoekers van verschillende instituten, waaronder de University of Glasgow en de University of Exeter in het VK, evenals van de ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, beschrijven hoe ze een magnetisch systeem hebben gecreëerd dat in staat is thermische energie op nanoschaal te extraheren, met behulp van het concept van een versnelling bekend als een ratel, en het omzetten van magnetische energie in de gerichte rotatie van de magnetisatie.

De thermische ratel werd gerealiseerd in een materiaal dat bekend staat als 'kunstmatig spinijs, " gemaakt van een assemblage van kleine nanomagneten van Permalloy, een nikkel-ijzerlegering. De afzonderlijke nanomagneten zijn slechts 470 nanometer lang (of ongeveer 200 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar) en 170 nanometer breed, met slechts een enkel magnetisch domein; dat is, de magnetisatie kan slechts in een van de twee richtingen langs de lange as van de magneet wijzen. Na gebruik van een extern magnetisch veld om de magnetisatie in een bepaalde richting te zetten, , de onderzoekers zagen dat de magnetisatie in slechts één van de twee mogelijke richtingen draaide, zonder duidelijke reden waarom de ene manier de voorkeur verdient boven de andere.

Sebastiaan Gliga, de hoofdauteur van de studie en Marie Curie Research Fellow aan de Universiteit van Glasgow, herinnert zich:"Het systeem dat we hebben bestudeerd is een kunstmatig spin-ijs, een klasse van geometrisch gefrustreerde magnetische materialen.

"We waren verrast om te zien dat de geometrie van de interacties kan worden aangepast om een ​​actief materiaal te bereiken dat dynamische chiraliteit vertoont en dus als een ratel werkt." Chiraliteit betekent dat een object er anders uitziet dan zijn spiegelbeeld, zoals onze linker- en rechterhand. Chiraliteit kan ook in beweging voorkomen:het bekendste voorbeeld is de ratel, een bootvormige top die het liefst in één richting draait.

Professor Robert Stamps van de Universiteit van Manitoba (voorheen aan de Universiteit van Glasgow) wees erop dat het de eigenschappen van de randen van het samenstel zijn die het thermische ratelgedrag bepalen. "We vermoedden vanaf het begin dat de grenzen de magnetische ordening en de dynamiek sterk zouden beïnvloeden."

Het was dit idee en voorstel van de geometrie van Prof. Stamps die uiteindelijk leidden tot het intrigerende gedrag dat door onderzoekers werd gemeten.

Het mechanisme dat leidde tot het waargenomen gedrag was niet duidelijk, echter, en het is pas door numerieke modellering dat de precieze rol van de randen duidelijk werd. Volgens professor Gino Hrkac, tweede auteur van het rapport, van de Universiteit van Exeter en Royal Society Research Fellow, "We hebben geruime tijd geprobeerd te begrijpen hoe het systeem werkte voordat we ons realiseerden dat de randen een asymmetrisch energiepotentieel creëerden." Deze asymmetrie wordt weerspiegeld in de verdeling van het magnetische veld aan de grenzen van de nanomagneetreeks en zorgt ervoor dat de magnetisatie in een voorkeursrichting roteert.

Om de evolutie van de magnetische toestand van het systeem in beeld te brengen, de wetenschappers gebruikten röntgenstralen en het zogenaamde röntgenmagnetische circulaire dichroïsche effect. De metingen werden uitgevoerd bij de synchrotron-lichtbron Swiss Light Source bij het Paul Scherrer Institute in Zwitserland en bij de Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten.

Volgens professor Laura Heyderman van de ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut:"Kunstmatig spin-ijs is voornamelijk gebruikt om wetenschappelijke vragen te beantwoorden, bijvoorbeeld met betrekking tot de fysica van frustratie. Dit is een mooie demonstratie van hoe kunstmatig spinijs een functioneel materiaal kan zijn en biedt een opstap naar toepassingen."

Deze bevindingen vormen een onverwachte route om magnetische energie om te zetten in de gerichte beweging van magnetisatie. Het effect dat nu in de tweedimensionale magnetische structuren wordt gevonden, gaat gepaard met de belofte dat het van praktisch nut zal zijn in apparaten op nanoschaal, zoals magnetische nanomotoren, actuatoren, of sensoren. Inderdaad, omdat impulsmoment behouden blijft en spin een soort impulsmoment is, de verandering in het magnetische moment van het systeem kan in principe een fysieke rotatie van het systeem veroorzaken (via het Einstein-de Haas-effect). Het kan ook toepassingen vinden in magnetisch geheugen waar bits kunnen worden opgeslagen door middel van lokale verwarming met laserpulsen.

De krant, getiteld "Emergent dynamische chiraliteit in een thermisch aangedreven kunstmatige spinratel, " is gepubliceerd in Natuurmaterialen .