(PhysOrg.com) -- Een internationaal team van onderzoekers is er voor het eerst in geslaagd om kunstmatig spin-ijs te creëren in een staat van thermisch evenwicht. waardoor ze de precieze configuratie van dit belangrijke nanomateriaal kunnen onderzoeken.

Wetenschappers van de Universiteit van Leeds, het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en het Rutherford Appleton Laboratory van de UK Science and Technology Facilities Council zeggen dat de doorbraak hen in staat zal stellen om een ​​wetenschappelijk fenomeen dat bekend staat als 'magnetische monopolen' veel gedetailleerder te bestuderen, waarvan wordt gedacht dat ze in dergelijke structuren voorkomen. Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

Kunstmatig spinijs is gemaakt met behulp van nanotechnologie en bestaat uit miljoenen kleine magneten, elk duizenden malen kleiner dan een zandkorrel. De magneten bestaan ​​in een rooster in een zogenaamde 'gefrustreerde' structuur. Als waterijs, de geometrie van de structuur betekent dat niet aan alle interacties tussen de atomen tegelijkertijd kan worden voldaan.

"Het is alsof je probeert om afwisselende mannelijke en vrouwelijke diners rond een tafel te plaatsen met een oneven aantal stoelen - hoe vaak je ze ook herschikt, je zult nooit slagen, " zei Dr Christopher Marrows van de Universiteit van Leeds, co-auteur van het artikel.

In spin-ijs, magnetische dipolen met een noord- en zuidpool zijn gerangschikt in tetraëderstructuren. Elke dipool heeft magnetische momenten, vergelijkbaar met de protonen op H2O-moleculen in waterijs, die elkaar aantrekken en afstoten. Bijgevolg, de dipolen rangschikken zich in de laagst mogelijke energietoestand, dat is twee polen die naar binnen wijzen en twee naar buiten wijzen.

Dr. Marrows zei:"Spin-ijs heeft de afgelopen jaren veel opwinding veroorzaakt, omdat men zich realiseerde dat ze een speeltuin zijn voor natuurkundigen die magnetische monopool-excitaties en Dirac-snaarfysica in vaste toestand bestuderen. tot nu toe waren alle monsters van deze kunstmatige structuren die in het laboratorium zijn gemaakt, wat we 'vastgelopen' noemen.

"Wat we hebben gedaan, is een manier vinden om spin-ijs los te maken en het in een goed geordende grondtoestand te krijgen die bekend staat als thermisch evenwicht. We kunnen dan een monster in deze toestand bevriezen, en gebruik een microscoop om te zien in welke richting alle kleine magneten wijzen. Het is hetzelfde als een foto kunnen maken van elk atoom in een kamer, omdat het ons in staat stelt om precies te inspecteren hoe de structuur is geconfigureerd."

Jason Morgan, PhD-student aan de Universiteit van Leeds en hoofdauteur van het artikel, was het eerste lid van het team dat het monster in evenwicht observeerde. Hij zei:"Het monster op zo'n manier in zelforde brengen is nog nooit eerder experimenteel bereikt en werd een tijdje als onmogelijk beschouwd. Maar toen we naar het monster keken met behulp van magnetische krachtmicroscopie en deze prachtige periodieke structuur zagen, wisten we meteen dat we een geordende grondtoestand hadden bereikt."

De onderzoekers hebben ook individuele excitaties uit deze grondtoestand in hun monster kunnen observeren, waarvan ze zeggen dat het bewijs is voor monopooldynamiek binnen het rooster.

Magnetische monopolen – magneten met slechts een enkele noord- of zuidpool – zijn voormalige hypothetische deeltjes waarvan nu wordt aangenomen dat ze in spinijs voorkomen. Wetenschappers hopen dat een beter begrip van deze monopolen kan leiden tot vooruitgang op een nieuw technologisch gebied dat bekend staat als 'magnetriciteit' - een magnetisch equivalent van elektriciteit.

Co-auteur Sean Langridge, een Science and Technology Facilities Council (STFC) Fellow en gasthoogleraar aan de Universiteit van Leeds, toegevoegd:"In de natuurlijk voorkomende spin-ijssystemen is deze grondtoestand voorspeld, maar is niet experimenteel waargenomen.

"Nu dat is waargenomen in een kunstmatig systeem, is de volgende stap om de excitaties van deze grondtoestand dynamisch te observeren. We kunnen dit alleen doen door de interacties te beheersen met de modernste lithografische technieken. Dit niveau van controle zal zorgen voor een gelijkmatige meer begrip in dit fascinerende systeem."

Het team creëerde "kunstmatige" spin-ijsmonsters in Brookhaven met behulp van een ultramodern nanotechnologisch hulpmiddel, een elektronenstraalschrijver. Een soortgelijke faciliteit van £ 4 miljoen zal binnenkort worden geopend aan de Universiteit van Leeds, die uniek zal zijn voor het VK en voortdurende samenwerking met de onderzoekers van Brookhaven mogelijk zal maken.