Wetenschappers hebben een stap gezet in de richting van de creatie van krachtige apparaten die magnetische lading benutten door de allereerste driedimensionale replica te maken van een materiaal dat bekend staat als spin-ijs.

Spin-ijsmaterialen zijn buitengewoon ongebruikelijk omdat ze zogenaamde defecten hebben die zich gedragen als de enkele pool van een magneet.

Deze enkelpolige magneten, ook bekend als magnetische monopolen, bestaan ​​niet in de natuur; wanneer elk magnetisch materiaal in tweeën wordt gesneden, ontstaat er altijd een nieuwe magneet met een noord- en een zuidpool.

Decennialang hebben wetenschappers wijd en zijd gezocht naar bewijs van natuurlijk voorkomende magnetische monopolen in de hoop eindelijk de fundamentele krachten van de natuur te groeperen in een zogenaamde theorie van alles, alle natuurkunde onder één dak brengen.

Echter, de afgelopen jaren zijn natuurkundigen erin geslaagd kunstmatige versies van een magnetische monopool te produceren door tweedimensionale spin-ijsmaterialen te creëren.

Tot op heden hebben deze structuren met succes een magnetische monopool aangetoond, maar het is onmogelijk om dezelfde fysica te verkrijgen wanneer het materiaal beperkt is tot één enkel vlak. Inderdaad, het is de specifieke driedimensionale geometrie van het spin-ijsrooster dat de sleutel is tot zijn ongebruikelijke vermogen om kleine structuren te creëren die magnetische monopolen nabootsen.

In een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Cardiff heeft de eerste 3D-replica ooit gemaakt van een spin-ijsmateriaal met behulp van een geavanceerd type 3D-printen en -verwerking.

Het team zegt dat de 3D-printtechnologie hen in staat heeft gesteld om de geometrie van het kunstmatige spin-ijs aan te passen, wat betekent dat ze kunnen bepalen hoe de magnetische monopolen worden gevormd en verplaatst in de systemen.

Het kunnen manipuleren van de mini-monopoolmagneten in 3D zou een hele reeks toepassingen kunnen openen, zeggen ze, van verbeterde computeropslag tot het creëren van 3D-computernetwerken die de neurale structuur van het menselijk brein nabootsen.

"Al meer dan 10 jaar creëren en bestuderen wetenschappers kunstmatig spin-ijs in twee dimensies. Door dergelijke systemen uit te breiden naar drie dimensies krijgen we een veel nauwkeuriger weergave van de fysica van spin-ijs monopool en zijn we in staat om de impact van oppervlakken te bestuderen, " zei hoofdauteur Dr. Sam Ladak van de School of Physics and Astronomy van Cardiff University.

"Dit is de eerste keer dat iemand een exacte 3D-replica van een spin-ijs heeft kunnen maken, met opzet, op nanoschaal."

Het kunstmatige spin-ijs is gemaakt met behulp van ultramoderne 3D-nanofabricagetechnieken waarbij kleine nanodraden in vier lagen in een roosterstructuur werden gestapeld, die zelf in totaal minder dan de breedte van een mensenhaar mat.

Een speciaal type microscopie dat bekend staat als magnetische krachtmicroscopie, die gevoelig is voor magnetisme, werd vervolgens gebruikt om de magnetische ladingen op het apparaat te visualiseren, waardoor het team de beweging van de enkelpolige magneten over de 3D-structuur kan volgen.

"Ons werk is belangrijk omdat het laat zien dat 3D-printtechnologieën op nanoschaal kunnen worden gebruikt om materialen na te bootsen die gewoonlijk via chemie worden gesynthetiseerd. " vervolgde Dr. Ladak.

"Uiteindelijk, dit werk zou een middel kunnen zijn om nieuwe magnetische metamaterialen te produceren, waar de materiaaleigenschappen worden afgestemd door de 3D-geometrie van een kunstmatig rooster te regelen.

"Magnetische opslagapparaten, zoals een harde schijf of magnetische geheugenapparaten met willekeurige toegang, is een ander gebied dat enorm kan worden beïnvloed door deze doorbraak. Aangezien de huidige apparaten slechts twee van de drie beschikbare dimensies gebruiken, dit beperkt de hoeveelheid informatie die kan worden opgeslagen. Omdat de monopolen met behulp van een magnetisch veld over het 3D-rooster kunnen worden verplaatst, is het misschien mogelijk om een ​​echt 3D-opslagapparaat te creëren op basis van magnetische lading."