Соблюдайте ледовые правила
В течение многих лет другие исследователи пытались создать реальную модель магнитного монополя – теоретической магнитной субатомной частицы, имеющей один северный или южный полюс. Эти неуловимые частицы можно смоделировать и наблюдать, производя материалы из искусственного льда – большие массивы наномагнетиков, которые имеют структуру, аналогичную водяному льду – в которых расположение атомов не идеально симметрично, что приводит к остаточным северным или южным полюсам.
Противоположности притягиваются в магнетизме (северные полюса тянутся к южным полюсам и наоборот), поэтому эти отдельные полюса пытаются двигаться, чтобы найти свою идеальную пару. Но поскольку обычные искусственные спиновые льды представляют собой двумерные системы, монополи сильно ограничены и поэтому не являются реалистичным представлением того, как ведут себя магнитные монополи, сказал ведущий автор Алан Фархан, научный сотрудник лаборатории Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли. время исследования, и сейчас находится в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии.
Чтобы преодолеть это препятствие, команда под руководством лаборатории Беркли смоделировала наноразмерную трехмерную систему, которая следует «ледяным правилам», принципу, который определяет, как атомы располагаются во льду, образованном из воды или минерального пирохлора.
«Это важнейший элемент нашей работы», – сказал Фархан. «С нашей трехмерной системой северный монополь или южный монополь может двигаться куда угодно, взаимодействуя с другими частицами в окружающей среде, как изолированный магнитный заряд – другими словами, как монополь."
Наномир на микросхеме
Команда использовала сложные инструменты литографии, разработанные в Molecular Foundry лаборатории Беркли, наноразмерном научно-исследовательском центре, чтобы создать трехмерную квадратную решетку наномагнетиков.
Каждый магнит в решетке размером с бактерию лежит на плоской кремниевой пластине размером 1 сантиметр на 1 сантиметр.
«Это наномир – с крошечной архитектурой на крошечной пластине», но с атомной конфигурацией, точно такой же, как у естественного льда, – сказал Фархан.
Чтобы построить наноструктуру, исследователи синтезировали две экспозиции, каждая из которых выровнена в пределах от 20 до 30 нанометров. В Molecular Foundry соавтор Скотт Дьюи изготовил наноструктуры четырех типов структур на крошечном кремниевом чипе. Затем микросхемы были изучены в ALS, центре исследования источников синхротронного света, открытом для посещения ученых со всего мира.
Исследователи использовали метод, называемый рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопией (PEEM), направляя мощные пучки рентгеновского света, чувствительного к магнитным структурам, на наношаблоны, чтобы наблюдать, как монополи могут образовываться и двигаться в ответ на изменения температуры.
В отличие от микроскопов PEEM с другими источниками света, микроскоп PEEM3 Berkeley Lab имеет более высокий угол падения рентгеновских лучей, сводя к минимуму эффекты теней, которые похожи на тени, отбрасываемые зданием, когда солнце падает на поверхность под определенным углом. «На самом деле записанные изображения не показывают никакого эффекта тени», – сказал Фархан. "Это делает PEEM3 наиболее важным элементом успеха этого проекта."
Фархан добавил, что PEEM3 – единственный микроскоп в мире, который дает пользователям полный контроль температуры в диапазоне ниже 100 Кельвина (ниже минус 280 градусов по Фаренгейту), фиксируя в реальном времени, как формируются магнитные монополи, когда искусственно замороженный лед тает в жидкость. , и когда жидкость испаряется в газообразное состояние магнитных зарядов – форму материи, известную как плазма.
Теперь исследователи надеются создать модели все меньших и меньших наномагнетиков для развития меньшей, но более мощной спинтроники – востребованной области микроэлектроники, которая использует свойства магнитного спина частиц для хранения большего количества данных в небольших устройствах, таких как магнитные жесткие диски.
Такие устройства будут использовать магнитные пленки и сверхпроводящие тонкие пленки для развертывания и управления магнитными монополями для сортировки и хранения данных на основе северного или южного направления их полюсов – аналогично единицам и нулям в обычных магнитных запоминающих устройствах.