På många sätt, magneter är fortfarande mystiska. De får sina (ofta kraftfulla) effekter från de mikroskopiska interaktionerna mellan enskilda elektroner, och från samspelet mellan deras kollektiva beteende i olika skalor. Men om du inte kan flytta runt dessa elektroner för att studera hur faktorer som symmetri påverkar de magnetiska effekterna i större skala, vad kan du göra istället?

Det visar sig att sammansättningar av metalliska nanopartiklar, som kan ordnas noggrant i skalor med flera längder, bete sig som bulkmagneter och visa spännande, formberoende beteende. Effekterna, rapporterade den här veckan i Journal of Applied Physics , från AIP Publishing, kan bidra till att förbättra högdensitetsinformationslagring och spintronik-teknik.

"Arbetet inspirerades av frågan [om] hur den magnetiska interaktionen mellan nanopartiklar påverkar det magnetiska beteendet i systemet som helhet, eftersom sådana matrisstrukturer används, till exempel, i lagringsmedier med hög densitet, sa Alexander Fabian, huvudförfattare till studien från Justus-Liebig University Giessen i Tyskland. "För att studera påverkan av [formen] av nanopartiklarna, liksom avståndet mellan dem, vi kom på idén om en hierarkisk design av proverna där motsvarande parametrar kan varieras systematiskt. "

Rundan, metalliska Fe304 -nanokomponenter Fabian och hans kollegor använde i sin studie ordnades för att bilda olika former i tre olika längdskalor. Med hjälp av elektronstråle litografi, en moderniserad litografimetod som använder elektroner för att skriva den önskade strukturen, de konfigurerade nanopartiklarna i tätt packade former, som trianglar, med en sida som mäter cirka 10 partiklar i längd. Ett format rutnät med mindre konfigurationer, med ungefär en mikrons avstånd, omfattade den tredje hierarkin av längdskalorna.

"För beredning av proverna använde vi litografiska metoder, som möjliggör exakt kontroll av avståndet och formen på nanopartiklarna, "Sa Fabian." För var och en av de tre hierarkiska nivåerna, det finns två bidrag, nämligen den gitterliknande delen och den formliknande delen. Det stora antalet möjligheter inom provdesign gör detta till en utmanande aspekt att hitta system med de mest lovande fysiska egenskaperna. "

Formerna som konfigurerats på varje (under) skala valdes utifrån deras relativa symmetrier, för att isolera effekterna uppmätta till deras kausala dimensionella skala.

"Gitterets symmetrier och formerna valdes här för att inte störa varandra. Till exempel, de cirkulära formade enheterna kombinerades med olika typer av galler, "Sa Fabian." Samlingar av olika former, som trianglar, rutor eller cirklar, uppvisar ett vinkelberoende av den magnetiska anisotropin (riktningsberoende) som motsvarar enhetens form. "

Med dessa smarta mönster, gruppen kunde demonstrera en storskalig magnet, byggd från nanopartikeln uppåt. Även om deras strukturer fungerade som bulk ferromagneter, de exakta mätningarna förvånade dem.

"Våra resultat visar att på de valda längdskalorna, endast sammansättningarnas form påverkar det magnetiska beteendet, avslöjar att sammansättningarna av nanopartiklar beter sig som en enda bulkferromagnet. men med ett annat magnetiseringsvärde än det för bulkmaterial, vilket är en intressant punkt för framtida utredningar. "

Experiment som dessa kan erbjuda värdefulla, grundläggande insikt i de senaste magnetberoende teknikerna, som utgör en stor del av elektronikmarknaden. Men mer i grunden dessa nanoskopiskt bottom-up-tillvägagångssätt visar kontrollerbara sätt att sondera de grundläggande fibrerna som omfattar bulk och kollektiva elektromagnetiska egenskaper.

"Ur en grundläggande synvinkel, det är mycket intressant att undersöka nanosystem som nanopartiklar. Eftersom de kan tillverkas på ett mycket kontrollerat sätt, de kan också studeras på ett systematiskt sätt. Egenskaper hos nanopartiklar som skiljer sig från bulk, eller till och med nya egenskaper som superparamagnetism, i nanopartiklar gör dem också intressanta för grundforskning. "