Driedimensionale (3D) nanonetwerken beloven een nieuw tijdperk in de moderne vastestoffysica met talrijke toepassingen in fotonica, bio-geneeskunde, en spintronica. De realisatie van 3D magnetische nano-architecturen kan ultrasnelle en energiezuinige gegevensopslagapparaten mogelijk maken. Door concurrerende magnetische interacties in deze systemen, magnetische ladingen of magnetische monopolen kunnen ontstaan, die kan worden gebruikt als mobiel, binaire informatiedragers. Onderzoekers van de Universiteit van Wenen hebben nu het eerste 3D kunstmatige spin-ijsrooster ontworpen dat ongebonden magnetische ladingen herbergt. De resultaten gepubliceerd in het tijdschrift npj Computational Materials een eerste theoretische demonstratie presenteren dat, in het nieuwe rooster, de magnetische monopolen zijn stabiel bij kamertemperatuur en kunnen on-demand worden aangestuurd door externe magnetische velden.

Opkomende magnetische monopolen worden waargenomen in een klasse van magnetische materialen die spin-ijs wordt genoemd. Echter, de atomaire schalen en vereiste lage temperaturen voor hun stabiliteit beperken hun beheersbaarheid. Dit leidde tot de ontwikkeling van 2D kunstmatig spinijs, waar de enkele atoommomenten worden vervangen door magnetische nano-eilanden die op verschillende roosters zijn gerangschikt. De opschaling maakte de studie mogelijk van opkomende magnetische monopolen op meer toegankelijke platforms. Het omkeren van de magnetische oriëntatie van specifieke nano-eilanden propageert de monopolen een hoekpunt verder, een spoor achterlatend. Dit spoor, bekend als Dirac-snaren, slaat noodzakelijkerwijs energie op en bindt de monopolen, hun mobiliteit beperken.

Onderzoekers rond Sabri Koraltan en Florian Slanovc, en geleid door Dieter Suess aan de Universiteit van Wenen, hebben nu een eerste 3D-kunstmatig spin-ijsrooster ontworpen dat de voordelen van zowel atomaire als 2D-kunstmatige spin-ijs combineert.

In samenwerking met de Nanomagnetism and Magnonics-groep van de Universiteit van Wenen, en theoretische afdeling van Los Alamos Laboratory, VS, de voordelen van het nieuwe rooster worden bestudeerd met behulp van micromagnetische simulaties. Hier, platte 2D nano-eilanden worden vervangen door magnetische roterende ellipsoïden, en een driedimensionaal rooster met hoge symmetrie wordt gebruikt. "Door de degeneratie van de grondtoestand verdwijnt de spanning van de Dirac-snaren en maakt de magnetische monopolen los, " merkt Sabri Koraltan op, een van de eerste auteurs van de studie. De onderzoekers brachten de studie verder naar de volgende stap, waar in hun simulaties één magnetische monopool door het rooster werd voortgeplant door externe magnetische velden toe te passen, het demonstreren van de toepassing ervan als informatiedragers in een 3D magnetisch nanonetwerk.

Sabri Koraltan voegt toe:"We maken gebruik van de derde dimensie en hoge symmetrie in het nieuwe rooster om de magnetische monopolen te ontbinden, en beweeg ze in de gewenste richtingen, bijna als echte elektronen." De andere eerste auteur Florian Slanovc concludeert:"De thermische stabiliteit van de monopolen rond kamertemperatuur en hoger zou de basis kunnen leggen voor een baanbrekende nieuwe generatie 3D-opslagtechnologieën."

De studie is gepubliceerd in npj Computational Materials .