Wetenschappers hebben state-of-the-art 3D-printen en microscopie gebruikt om een ​​nieuwe blik te werpen op wat er gebeurt als magneten naar drie dimensies worden gebracht op nanoschaal - 1000 keer kleiner dan een mensenhaar.

Het internationale team onder leiding van het Cavendish Laboratory van Cambridge University gebruikte een geavanceerde 3D-printtechniek die ze ontwikkelden om magnetische dubbele helices te creëren - zoals de dubbele helix van DNA - die om elkaar heen draaien, waarbij kromming, chiraliteit en sterke magnetische veldinteracties tussen de helices worden gecombineerd. Daarbij ontdekten de wetenschappers dat deze magnetische dubbele helices topologische texturen op nanoschaal in het magnetische veld produceren, iets dat nog nooit eerder was gezien, wat de deur openzette voor de volgende generatie magnetische apparaten. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Nanotechnology .

Magnetische apparaten hebben invloed op veel verschillende delen van onze samenlevingen, magneten worden gebruikt voor het opwekken van energie, voor gegevensopslag en computergebruik. Maar magnetische computerapparatuur nadert snel hun krimplimiet in tweedimensionale systemen. Voor de volgende generatie computers is er een groeiende belangstelling voor de overstap naar drie dimensies, waar niet alleen hogere dichtheden kunnen worden bereikt met 3D-nanodraadarchitecturen, maar driedimensionale geometrieën ook de magnetische eigenschappen kunnen veranderen en nieuwe functionaliteiten kunnen bieden.

"Er is veel werk verzet rond een nog te ontwikkelen technologie genaamd racetrack-geheugen, voor het eerst voorgesteld door Stuart Parkin. Het idee is om digitale gegevens op te slaan in de magnetische domeinmuren van nanodraden om informatieopslagapparaten te produceren met een hoge betrouwbaarheid prestaties en capaciteit", zegt Claire Donnelly, de eerste auteur van het onderzoek van het Cavendish Laboratory in Cambridge, die onlangs is verhuisd naar het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids.

"Maar tot nu toe was dit idee altijd erg moeilijk te realiseren, omdat we driedimensionale magnetische systemen moeten kunnen maken en we moeten ook het effect begrijpen van het naar drie dimensies gaan op zowel de magnetisatie als het magnetische veld. "

"Dus de afgelopen jaren heeft ons onderzoek zich gericht op het ontwikkelen van nieuwe methoden om driedimensionale magnetische structuren te visualiseren - denk aan een CT-scan in een ziekenhuis, maar dan voor magneten. We hebben ook een 3D-printtechniek ontwikkeld voor magnetische materialen."

De 3D-metingen werden uitgevoerd aan de PolLux-bundellijn van de Zwitserse lichtbron van het Paul Scherrer-instituut, momenteel de enige bundellijn die zachte röntgenlaminografie kan bieden. Met behulp van deze geavanceerde röntgenbeeldvormingstechnieken zagen de onderzoekers dat de 3D-DNA-structuur leidt tot een andere textuur in de magnetisatie in vergelijking met wat wordt gezien in 2D. Paren van wanden tussen magnetische domeinen (gebieden waar de magnetisatie allemaal in dezelfde richting wijst) in aangrenzende helices zijn sterk gekoppeld en vervormen daardoor. Deze wanden trekken elkaar aan en, vanwege de 3D-structuur, roteren, "vergrendelen" op hun plaats en vormen sterke, regelmatige bindingen, vergelijkbaar met de basenparen in DNA.

"We hebben niet alleen ontdekt dat de 3D-structuur leidt tot interessante topologische nanotexturen in de magnetisatie, waar we relatief gewend zijn om dergelijke texturen te zien, maar ook in het magnetische strooiveld, wat opwindende nieuwe veldconfiguraties op nanoschaal onthulde!" zei Donnelly.

"Dit nieuwe vermogen om het magnetische veld op deze lengteschaal te modelleren, stelt ons in staat om te bepalen welke krachten op magnetische materialen zullen worden uitgeoefend en om te begrijpen hoe ver we kunnen gaan met het patroon van deze magnetische velden. Als we die magnetische krachten op nanoschaal kunnen beheersen, we komen dichter bij het bereiken van dezelfde mate van controle als in twee dimensies."

"Het resultaat is fascinerend - de texturen in de DNA-achtige dubbele helix vormen sterke bindingen tussen de helices, waardoor hun vorm vervormt", verklaarde hoofdauteur Amalio Fernandez-Pacheco, voormalig Cavendish-onderzoeker, nu werkzaam bij het Institute of Nanoscience &Materialen van Aragón. "Maar wat nog spannender is, is dat rond deze bindingen wervelingen in het magnetische veld ontstaan ​​- topologische texturen!"

Nadat ze van twee naar drie dimensies zijn gegaan in termen van magnetisatie, zullen Donnelly en haar medewerkers van het Paul Scherrer Institute en de universiteiten van Glasgow, Zaragoza, Oviedo en Wenen nu het volledige potentieel verkennen om van twee naar drie dimensies te gaan in termen van het magnetische veld.

"De vooruitzichten van dit werk zijn veelvoudig:deze sterk gebonden texturen in de magnetische helices beloven een zeer robuuste beweging en kunnen een potentiële drager van informatie zijn", zei Fernandez-Pacheco. "Nog spannender is dit nieuwe potentieel om het magnetische veld op nanoschaal te modelleren, dit zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het vangen van deeltjes, beeldvormingstechnieken en slimme materialen." + Verder verkennen

Magnetische nano-'tornado's' in 3D bekijken