(PhysOrg.com) - Ett internationellt team av forskare har för första gången lyckats skapa konstgjord spinris i ett tillstånd av termisk jämvikt, så att de kan undersöka den exakta konfigurationen av detta viktiga nanomaterial.

Forskare från University of Leeds, det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och UK Science and Technology Facilities Councils Rutherford Appleton Laboratory säger att genombrottet kommer att göra det möjligt för dem att i mycket mer detalj studera ett vetenskapligt fenomen som kallas "magnetiska monopoler", som man tror finns i sådana strukturer. Deras resultat publiceras idag i tidskriften Naturfysik .

Konstgjord spinnis är byggd med nanoteknik och består av miljontals små magneter, var och en tusentals gånger mindre än ett sandkorn. Magneterna finns i ett gitter i vad som kallas en "frustrerad" struktur. Som vattenis, strukturens geometri innebär att alla interaktioner mellan atomerna inte kan uppfyllas samtidigt.

"Det är som att försöka sätta alternerande manliga och kvinnliga matgäster runt ett bord med ett udda antal platser – hur mycket du än ordnar om dem kommer du aldrig att lyckas, " sa Dr Christopher Marrows från University of Leeds, medförfattare till tidningen.

I spinnis, magnetiska dipoler med en nord- och sydpol är arrangerade i tetraederstrukturer. Varje dipol har magnetiska moment, liknande protonerna på H2O-molekyler i vattenis, som attraherar och stöter bort varandra. Följaktligen, dipolerna ordnar sig i lägsta möjliga energitillstånd, vilket är två poler som pekar in och två pekar ut.

Dr Marrows sa:"Spin ices har skapat mycket spänning de senaste åren eftersom man har insett att de är en lekplats för fysiker som studerar magnetiska monopolexcitationer och Dirac-strängfysik i fast tillstånd. fram till nu har alla prover av dessa konstgjorda strukturer som skapats i labbet varit vad vi kallar "fasta".

"Vad vi har gjort är att hitta ett sätt att lossa spinnisen och få den till ett välordnat grundtillstånd som kallas termisk jämvikt. Vi kan sedan frysa ett prov till detta tillstånd, och använd ett mikroskop för att se åt vilket håll alla små magneter pekar. Det motsvarar att kunna ta en bild av varje atom i ett rum eftersom det tillåter oss att inspektera exakt hur strukturen är konfigurerad."

Jason Morgan, Doktorand vid University of Leeds och huvudförfattare till uppsatsen, var den första medlemmen i teamet som observerade provet i jämvikt. Han sa:"Att få provet att självbeställa på ett sådant sätt har aldrig tidigare uppnåtts experimentellt och ett tag hade ansetts omöjligt. Men när vi tittade på provet med hjälp av magnetisk kraftmikroskopi och såg denna vackra periodiska struktur visste vi direkt. att vi hade uppnått ett ordnat grundtillstånd."

Forskarna har också kunnat observera individuella excitationer från detta marktillstånd inom sitt prov, vilket de säger är bevis för monopoldynamik inom gittret.

Magnetiska monopoler – magneter med bara en enda nord- eller sydpol ¬¬– är tidigare hypotetiska partiklar som nu tros existera i spinnis. Det finns hopp bland forskare att en mer detaljerad förståelse av dessa monopoler kan leda till framsteg inom ett nytt teknikområde som kallas "magnetricitet" - en magnetisk motsvarighet till elektricitet.

Medförfattare Sean Langridge, en Science and Technology Facilities Council (STFC) Fellow och gästprofessor vid University of Leeds, tillade:"I de naturligt förekommande spin-is-systemen förutsägs detta marktillstånd men har inte observerats experimentellt.

"Nu när det har observerats i ett artificiellt system är nästa steg att dynamiskt observera excitationerna från detta grundtillstånd. Vi kan bara göra detta genom att kontrollera interaktionerna med de senaste litografiska teknikerna. Denna nivå av kontroll kommer att ge en jämn högre nivå av förståelse i detta fascinerande system."

Teamet skapade "konstgjorda" spin-isprover i Brookhaven med hjälp av ett toppmodernt nanoteknologiskt verktyg som kallas elektronstråleskrivare. En liknande anläggning på 4 miljoner pund kommer inom kort att öppnas vid University of Leeds som kommer att vara unik för Storbritannien och kommer att möjliggöra fortsatt samarbete med forskarna vid Brookhaven.