Op veel manieren, magneten zijn nog steeds mysterieus. Ze krijgen hun (vaak krachtige) effecten van de microscopische interacties van individuele elektronen, en van het samenspel tussen hun collectieve gedrag op verschillende schalen. Maar als je deze elektronen niet kunt verplaatsen om te bestuderen hoe factoren zoals symmetrie de grootschalige magnetische effecten beïnvloeden, wat kun je in plaats daarvan doen?

Het blijkt dat assemblages van metalen nanodeeltjes, die zorgvuldig op meerdere lengteschalen kan worden gerangschikt, gedragen zich als bulkmagneten en tonen intrigerend, vormafhankelijk gedrag. De effecten, meldde deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , van AIP Publishing, zou kunnen helpen bij het verbeteren van high-density informatieopslag en spintronica-technologieën.

"Het werk is geïnspireerd op de vraag [van] hoe de magnetische interactie tussen nanodeeltjes het magnetische gedrag van het systeem als geheel beïnvloedt, aangezien dergelijke arraystructuren worden gebruikt, bijvoorbeeld, in opslagmedia met hoge dichtheid, " zei Alexander Fabian, hoofdauteur van de studie van de Justus-Liebig Universiteit Giessen in Duitsland. "Om de invloed van [de] vorm van de nanodeeltjesassemblages te bestuderen, evenals de afstand ertussen, we kwamen op het idee van een hiërarchisch ontwerp van de monsters waarbij de bijbehorende parameters systematisch kunnen worden gevarieerd."

De Ronde, metalen Fe304-nanocomponenten die Fabian en zijn collega's in hun onderzoek gebruikten, werden gerangschikt om verschillende vormen te vormen op drie verschillende lengteschalen. Met behulp van elektronenstraallithografie, een gemoderniseerde lithografiemethode die elektronen gebruikt om de gewenste structuur te schrijven, ze vormden de nanodeeltjes in dicht opeengepakte vormen, zoals driehoeken, met aan één zijde een lengte van ongeveer 10 deeltjes. Een gevormd raster van de kleinere configuraties, op een onderlinge afstand van ongeveer een micron, vormde de derde hiërarchie van de lengteschalen.

"Voor de voorbereiding van de monsters hebben we lithografische methoden gebruikt, die de precieze controle van de afstand en de vorm van de nanodeeltjesassemblages mogelijk maken, ' zei Fabian. 'Voor elk van de drie hiërarchische niveaus, er zijn twee bijdragen, namelijk het roosterachtige deel en het vormachtige deel. Het grote aantal mogelijkheden in het ontwerp van monsters maakt dit een uitdagend aspect om systemen te vinden met de meest veelbelovende fysieke eigenschappen."

De vormen geconfigureerd op elke (sub)schaal werden gekozen op basis van hun relatieve symmetrieën, om de gemeten effecten te isoleren tot hun causale dimensionale schaal.

"De symmetrieën van het rooster en de vormen zijn hier zo gekozen dat ze niet met elkaar interfereren. de cirkelvormige assemblages werden gecombineerd met verschillende soorten roosters, Fabian zei. Assemblages van verschillende vormen, zoals driehoeken, vierkanten of cirkels, vertonen een hoekafhankelijkheid van de magnetische anisotropie (richtingsafhankelijkheid) die overeenkomt met de vorm van het samenstel."

Met deze slimme ontwerpen, de groep kon een grootschalige magneet demonstreren, opgebouwd uit het nanodeeltje. Hoewel hun structuren werkten als bulk-ferromagneten, de precieze metingen verrasten hen.

"Onze resultaten laten zien dat op de gekozen lengteschalen, alleen de vorm van de assemblages beïnvloedt het magnetische gedrag, onthullend dat de samenstellingen van nanodeeltjes zich gedragen als een enkele bulk-ferromagneet.' Fabian zei. "Het meest verrassend was dat de deeltjes zich lijken te gedragen als een bulk-ferromagneet, maar met een andere magnetisatiewaarde dan die voor stortgoed, wat een interessant punt is voor toekomstig onderzoek."

Experimenten als deze kunnen waardevolle, fundamenteel inzicht in de nieuwste magnetisch afhankelijke technologieën, die een groot deel van de elektronicamarkt uitmaken. Maar meer fundamenteel, deze nanoscopische bottom-up benaderingen demonstreren controleerbare manieren om de fundamentele vezels te onderzoeken die bulk- en collectieve elektromagnetische eigenschappen omvatten.

"Vanuit een fundamenteel oogpunt, het is heel interessant om nanosystemen zoals nanodeeltjes te onderzoeken. Omdat ze op een zeer gecontroleerde manier kunnen worden vervaardigd, ze kunnen ook in een systematische benadering worden bestudeerd. Eigenschappen van de nanodeeltjes verschillen van de bulk, of zelfs nieuwe eigenschappen zoals superparamagnetisme, in nanodeeltjes maken ze ook interessant voor fundamenteel onderzoek."