Ett forskargrupp som leds av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skapat en nanoskala "lekplats" på ett chip som simulerar bildandet av exotiska magnetiska partiklar som kallas monopoler. Studien - publicerad nyligen i Vetenskapliga framsteg - kunde låsa upp hemligheterna för allt mindre, kraftfullare minnesenheter, mikroelektronik, och nästa generations hårddiskar som använder kraften i magnetiskt snurr för att lagra data.

Följ "isreglerna"

I åratal, andra forskare har försökt skapa en verklig modell av en magnetisk monopol-en teoretisk magnetisk, subatomär partikel som har en enda nord- eller sydpol. Dessa svårfångade partiklar kan simuleras och observeras genom att tillverka konstgjorda spinnismaterial - stora grupper av nanomagneter som har strukturer som är analoga med vattenis - där atomerna inte är helt symmetriska, leder till kvarvarande nord- eller sydpoler.

Motsatser lockar i magnetism (nordpoler dras till sydpoler, och vice versa) så dessa enstaka poler försöker röra sig för att hitta sin perfekta matchning. Men eftersom konventionella konstgjorda spinnisar är 2-D-system, monopolerna är mycket begränsade, och är därför inte realistiska framställningar av hur magnetiska monopoler beter sig, sa huvudförfattaren Alan Farhan, som var postdoktor vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) vid tidpunkten för studien, och är nu med Paul Scherrer -institutet i Schweiz.

För att övervinna detta hinder, Berkeley Lab-ledda teamet simulerade ett 3D-system i nanoskala som följer "isregler, "en princip som styr hur atomer ordnar sig i is som bildas av vatten eller mineralet pyroklor.

"Detta är en avgörande del av vårt arbete, "sa Farhan." Med vårt 3D-system, en norrmonopol eller södra monopol kan röra sig vart den vill gå, interagerar med andra partiklar i sin miljö som en isolerad magnetisk laddning skulle - med andra ord, som en monopol. "

En nanoworld på ett chip

Teamet använde sofistikerade litografiverktyg som utvecklats vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en forskningsanläggning för nanoskala, att mönstra en 3D, kvadratiska gitter av nanomagneter. Varje magnet i gallret är ungefär lika stor som en bakterie och vilar på en platt, 1 centimeter för 1 centimeter kiselskiva.

"Det är en nanoworld - med liten arkitektur på en liten skiva, "men atomiskt konfigurerad precis som naturlig is, sa Farhan.

För att bygga nanostrukturen, forskarna syntetiserade två exponeringar, var och en inriktad inom 20 till 30 nanometer. På Molecular Foundry, medförfattare Scott Dhuey tillverkade nanopatroner av fyra typer av strukturer på ett litet kiselchip. Flisen studerades sedan vid ALS, en forskningsanläggning för synkrotronljuskälla som är öppen för besökande forskare från hela världen. Forskarna använde en teknik som kallas röntgenfotoemissionselektronmikroskopi (PEEM), rikta kraftfulla strålar av röntgenljus som är känsligt för magnetiska strukturer mot nanopatronerna för att observera hur monopoler kan bildas och röra sig som svar på temperaturförändringar.

I motsats till PEEM -mikroskop vid andra ljuskällor, Berkeley Labs PEEM3-mikroskop har en högre röntgeninfallsvinkel, minimera skuggeffekter - som liknar skuggorna som kastas av en byggnad när solen träffar ytan i en viss vinkel. "Faktiskt, bilderna som spelats in visar ingen skuggeffekt alls, "sa Farhan." Detta gör PEEM3 till det mest avgörande elementet för projektets framgång. "

Farhan tillade att PEEM3 är det enda mikroskop i världen som ger användarna full temperaturkontroll i intervallet 100 Kelvin (under minus 280 grader Fahrenheit), fånga i realtid hur framväxande magnetiska monopoler bildas när konstgjord frusen is smälter till en vätska, och när vätska förångas till ett gasliknande tillstånd av magnetiska laddningar-en form av materia som kallas plasma.

Forskarna hoppas nu kunna mönstra mindre och mindre nanomagneter för att utveckla mindre men ändå kraftfullare spintronik-ett eftertraktat fält inom mikroelektronik som utnyttjar partiklarnas magnetiska spinnegenskaper för att lagra mer data i mindre enheter som magnetiska hårddiskar.

Sådana anordningar skulle använda magnetiska filmer och supraledande tunna filmer för att distribuera och manipulera magnetiska monopoler för att sortera och lagra data baserat på deras polers norr- eller söderriktning - analogt med dem och nollorna i konventionella magnetiska lagringsenheter.