Ett team av forskare har hittat ett nytt sätt att omvandla omgivande värme till rörelse i nanoskalaenheter - en upptäckt som kan öppna nya möjligheter för datalagring, sensorer, nanomotorer och andra applikationer i den ständigt krympande elektronikvärlden.

I en ny artikel publicerad idag i tidningen Naturmaterial , ett internationellt team av forskare från olika institut, inklusive University of Glasgow och University of Exeter i Storbritannien, liksom från ETH Zürich och Paul Scherrer -institutet i Schweiz, beskriva hur de har skapat ett magnetiskt system som kan utvinna värmeenergi på nanoskala, med hjälp av konceptet med ett redskap som kallas en spärr, och att förvandla magnetisk energi till magnetiseringens riktade rotation.

Den termiska spärren realiserades i ett material som kallas 'artificiell spinnis, "gjord av en samling av små nanomagneter från Permalloy, en nickel -järnlegering. De enskilda nanomagneterna är bara 470 nanometer långa (eller cirka 200 gånger mindre än diametern på ett människohår) och 170 nanometer breda, med bara en enda magnetisk domän; det är, magnetiseringen kan bara peka i en av två riktningar längs magnetens långa axel. Efter att ha använt ett externt magnetfält för att ställa in magnetiseringen i en given riktning, , forskarna observerade att magnetiseringen roterade i endast en av två möjliga riktningar, utan en uppenbar anledning till varför det ena sättet ska vara att föredra framför det andra.

Sebastian Gliga, huvudförfattaren till studien och Marie Curie Research Fellow vid University of Glasgow, påminner om:"Systemet vi har studerat är en artificiell spinnis, en klass av geometriskt frustrerade magnetiska material.

"Vi blev förvånade över att se att interaktionens geometri kan skräddarsys för att uppnå ett aktivt material som uppvisar dynamisk kiralitet och därmed fungerar som en spärr." Kiralitet innebär att ett objekt ser annorlunda ut än sin spegelbild, som våra vänstra och högra händer. Chiralitet kan också förekomma i rörelse:det mest kända exemplet är rattleback, en båtformad topp som föredrar att snurra i en enda riktning.

Professor Robert Stamps från University of Manitoba (tidigare vid University of Glasgow) påpekade att det är egenskaperna hos aggregatets kanter som avgör det termiska spärrbeteendet. "Vi misstänkte från början att gränserna starkt skulle påverka den magnetiska ordningen och dynamiken."

Det var denna idé och förslag på geometrin från prof. Stamps som så småningom ledde till det spännande beteendet som forskare mätte.

Mekanismen som ledde till det observerade beteendet var inte uppenbar, dock, och det är bara genom numerisk modellering som kanternas exakta roll blev tydlig. Enligt professor Gino Hrkac, rapportens andra författare, från University of Exeter och Royal Society Research Fellow, "Vi försökte förstå ganska länge hur systemet fungerade innan vi insåg att kanterna skapade en asymmetrisk energipotential." Denna asymmetri återspeglas i fördelningen av magnetfältet vid gränserna för nanomagnetuppsättningen och får magnetiseringen att rotera i en föredragen riktning.

För att avbilda utvecklingen av systemets magnetiska tillstånd, forskarna använde röntgenstrålar och den så kallade röntgenmagnetiska cirkulära dikroiska effekten. Mätningarna utfördes vid synkrotronljuskällan Swiss Light Source vid Paul Scherrer Institute i Schweiz och vid Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory i USA.

Enligt professor Laura Heyderman från ETH Zürich och Paul Scherrer Institute:"Konstgjord spinnis har främst använts för att svara på vetenskapliga frågor, till exempel angående frustrationens fysik. Detta är en trevlig demonstration av hur konstgjord spinnis kan vara ett funktionellt material och ger ett steg mot applikationer. "

Dessa fynd etablerar en oväntad väg för att omvandla magnetisk energi till den riktade magnetiseringsrörelsen. Effekten som nu finns i de tvådimensionella magnetiska strukturerna kommer med löftet att den kommer att vara praktisk i nanoskala-enheter, såsom magnetiska nanomotorer, ställdon, eller sensorer. Verkligen, eftersom vinkelmomentet bevaras och spinn är en typ av vinkelmoment, förändringen i systemets magnetiska moment kan i princip framkalla en fysisk rotation av systemet (genom Einstein – de Haas -effekten). Det kan också hitta applikationer i magnetminne där bitar kan lagras genom lokal uppvärmning med laserpulser.

Pappret, med titeln "Emergent dynamic chirality i en termiskt driven artificiell spinnspärr, "publiceras i Naturmaterial .