Een onderzoeksteam onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een "speeltuin" op nanoschaal gecreëerd op een chip die de vorming van exotische magnetische deeltjes, monopolen genaamd, simuleert. De studie, onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang - de geheimen van steeds kleinere, krachtigere geheugenapparaten, micro-elektronica, en harde schijven van de volgende generatie die de kracht van magnetische spin gebruiken om gegevens op te slaan.

Volg de 'ijsregels'

Voor jaren, andere onderzoekers hebben geprobeerd een realistisch model te maken van een magnetische monopool - een theoretische magnetische, subatomair deeltje dat een enkele noord- of zuidpool heeft. Deze ongrijpbare deeltjes kunnen worden gesimuleerd en waargenomen door kunstmatige spin-ijsmaterialen te vervaardigen - grote arrays van nanomagneten die structuren hebben die analoog zijn aan waterijs - waarbij de rangschikking van atomen niet perfect symmetrisch is, leidend tot resterende noord- of zuidpolen.

Tegenpolen trekken elkaar aan in magnetisme (noordpolen trekken naar zuidpolen, en vice versa) dus deze enkele polen proberen te bewegen om hun perfecte match te vinden. Maar omdat conventionele kunstmatige spin-ijsjes 2D-systemen zijn, de monopolen zijn zeer beperkt, en zijn daarom geen realistische weergaven van hoe magnetische monopolen zich gedragen, zei hoofdauteur Alan Farhan, die ten tijde van de studie een postdoctoraal onderzoeker was bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), en is nu bij het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland.

Om dit obstakel te overwinnen, het door Berkeley Lab geleide team simuleerde een 3D-systeem op nanoschaal dat "ijsregels, " een principe dat bepaalt hoe atomen zich rangschikken in ijs gevormd uit water of het mineraal pyrochloor.

"Dit is een cruciaal onderdeel van ons werk, " zei Farhan. "Met ons 3D-systeem, een noord-monopool of zuid-monopool kan bewegen waarheen hij wil, interactie met andere deeltjes in zijn omgeving zoals een geïsoleerde magnetische lading zou doen - met andere woorden, als een monopool."

Een nanowereld op een chip

Het team gebruikte geavanceerde lithografietools die zijn ontwikkeld in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit op nanoschaal, een 3D patroon maken, vierkant rooster van nanomagneten. Elke magneet in het rooster is ongeveer zo groot als een bacterie en rust op een plat, 1 centimeter bij 1 centimeter siliciumwafel.

"Het is een nanowereld - met kleine architectuur op een kleine wafel, " maar atomair geconfigureerd precies zoals natuurijs, zei Farhan.

Om de nanostructuur te bouwen, de onderzoekers synthetiseerden twee blootstellingen, elk uitgelijnd binnen 20 tot 30 nanometer. Bij de Moleculaire Gieterij, co-auteur Scott Dhuey vervaardigde nanopatronen van vier soorten structuren op een kleine siliciumchip. De chips werden vervolgens bestudeerd bij de ALS, een onderzoeksfaciliteit voor synchrotron-lichtbronnen die openstaat voor bezoekende wetenschappers van over de hele wereld. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd röntgenfoto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM), krachtige bundels röntgenlicht die gevoelig zijn voor magnetische structuren op de nanopatronen richten om te observeren hoe monopolen zich kunnen vormen en bewegen als reactie op temperatuurveranderingen.

In tegenstelling tot PEEM-microscopen bij andere lichtbronnen, De PEEM3-microscoop van Berkeley Lab heeft een hogere röntgeninvalshoek, het minimaliseren van schaduweffecten - die vergelijkbaar zijn met de schaduwen die door een gebouw worden geworpen wanneer de zon onder een bepaalde hoek op het oppervlak valt. "In feite, de opgenomen beelden vertonen geen enkel schaduweffect, "zei Farhan. "Dit maakt de PEEM3 het meest cruciale element voor het succes van dit project."

Farhan voegde eraan toe dat de PEEM3 de enige microscoop ter wereld is die gebruikers volledige temperatuurregeling geeft in het bereik van minder dan 100 Kelvin (onder minus 280 graden Fahrenheit), in realtime vastleggen hoe opkomende magnetische monopolen zich vormen als kunstmatig bevroren ijs in een vloeistof smelt, en als vloeistof verdampt in een gasachtige toestand van magnetische ladingen - een vorm van materie die bekend staat als plasma.

De onderzoekers hopen nu kleinere en kleinere nanomagneten te modelleren voor de vooruitgang van kleinere maar krachtigere spintronica - een gewild gebied van micro-elektronica dat gebruikmaakt van de magnetische spin-eigenschappen van deeltjes om meer gegevens op te slaan in kleinere apparaten zoals magnetische harde schijven.

Dergelijke apparaten zouden magnetische films en supergeleidende dunne films gebruiken om magnetische monopolen in te zetten en te manipuleren om gegevens te sorteren en op te slaan op basis van de noord- of zuidrichting van hun polen - analoog aan de enen en nullen in conventionele magnetische opslagapparaten.