Спиновый лед в магнитных наноструктурах может изменить современные вычисления

Ученые сделали шаг к созданию мощных устройств, использующих магнитный заряд, создав первую в истории трехмерную копию материала, известного как спиновый лед (spin-ice).

Материалы спинового льда чрезвычайно необычны, поскольку они обладают так называемыми дефектами, которые ведут себя как единственный полюс магнита.

Эти однополюсные магниты, также известные как магнитные монополи, в природе не существуют; когда каждый магнитный материал разрезается на две части, всегда создается новый магнит с северным и южным полюсами.

В течение десятилетий ученые искали повсюду доказательства существования естественных магнитных монополей в надежде, наконец, сгруппировать фундаментальные силы природы в так называемую теорию всего, поместив всю физику под одну крышу.

Однако в последние годы физикам удалось создать искусственные версии магнитного монополя за счет создания двумерных материалов из спинового льда.

На сегодняшний день эти структуры успешно продемонстрировали магнитный монополь, но невозможно получить такую ​​же физику, когда материал ограничен одной плоскостью. Действительно, именно особая трехмерная геометрия решетки спинового льда является ключом к его необычной способности создавать крошечные структуры, имитирующие магнитные монополи.

В новом исследовании команда ученых из Кардиффского университета создала первую в истории 3D-копию материала спинового льда, используя сложный тип 3D-печати и обработки.

Ученые говорят, что технология 3D-печати позволила им адаптировать геометрию искусственного спинового льда, что означает, что они могут контролировать способ формирования и перемещения магнитных монополей в системах.

Возможность манипулировать мини-монопольными магнитами в 3D может открыть целый ряд приложений, которые, по их словам, могут применяться в областях от расширенного компьютерного хранилища до создания трехмерных вычислительных сетей, имитирующих нейронную структуру человеческого мозга.

«Более 10 лет ученые создают и изучают искусственный спиновый лед в двух измерениях. Расширяя такие системы до трех измерений, мы получаем гораздо более точное представление физики спинового монополя и можем изучать влияние поверхностей», — сказал ведущий автор доктор Сэм Ладак из школы физики и астрономии Кардиффского университета.

«Это впервые, когда кто-либо смог создать точную трехмерную копию спинового льда, намеренно, в наномасштабе».

Искусственный спиновый лед был создан с использованием новейших технологий трехмерного нанопроизводства, в которых крошечные нанопроволоки укладывались в четыре слоя в решетчатую структуру, размер которой в целом был меньше ширины человеческого волоса.

Затем был использован специальный тип микроскопии, известный как магнитно-силовая микроскопия, которая чувствительна к магнетизму, чтобы визуализировать магнитные заряды, присутствующие на устройстве, что позволило ученым отслеживать движение однополюсных магнитов по трехмерной структуре.

«Наша работа важна, поскольку она показывает, что наноразмерные технологии 3D-печати могут использоваться для имитации материалов, которые обычно синтезируются с помощью химии», — говорят исследователи.

В конечном счете, эта работа могла бы предоставить средства для производства новых магнитных метаматериалов, в которых свойства материала настраиваются путем управления трехмерной геометрией искусственной решетки.

Магнитные запоминающие устройства, такие как жесткий диск или устройства магнитной памяти с произвольным доступом, — это еще одна область, на которую этот прорыв может серьезно повлиять. Поскольку современные устройства используют только два из трех доступных измерений, это ограничивает объем информации, который может быть сохранен.

Поскольку монополи могут перемещаться по трехмерной решетке с использованием магнитного поля, возможно создание настоящего трехмерного запоминающего устройства на основе магнитного заряда.

Работа была опубликована в Nature Communications.