Forskare har tagit ett steg mot skapandet av kraftfulla enheter som utnyttjar magnetisk laddning genom att skapa den första tredimensionella repliken någonsin av ett material som kallas spin-ice.

Spinismaterial är extremt ovanliga eftersom de har så kallade defekter som beter sig som en magnets enda pol.

Dessa enpoliga magneter, även känd som magnetiska monopoler, finns inte i naturen; när varje magnetiskt material skärs i två delar kommer det alltid att skapa en ny magnet med en nord- och sydpol.

I decennier har forskare letat långt och brett efter bevis på naturligt förekommande magnetiska monopoler i hopp om att äntligen gruppera naturens grundläggande krafter i en så kallad teori om allt, samla all fysik under ett tak.

Dock, Under de senaste åren har fysiker lyckats producera konstgjorda versioner av en magnetisk monopol genom att skapa tvådimensionella spin-ismaterial.

Hittills har dessa strukturer framgångsrikt demonstrerat en magnetisk monopol, men det är omöjligt att få samma fysik när materialet är begränsat till ett enda plan. Verkligen, det är den specifika tredimensionella geometrin hos spin-is-gittret som är nyckeln till dess ovanliga förmåga att skapa små strukturer som efterliknar magnetiska monopoler.

I en ny studie publicerad idag i Naturkommunikation , ett team ledd av forskare vid Cardiff University har skapat den första 3D-replika någonsin av ett spin-ismaterial med hjälp av en sofistikerad typ av 3D-utskrift och bearbetning.

Teamet säger att 3D-utskriftstekniken har gjort det möjligt för dem att skräddarsy geometrin hos den konstgjorda spin-isen, vilket innebär att de kan styra hur de magnetiska monopolerna bildas och flyttas runt i systemen.

Att kunna manipulera minimonopolmagneterna i 3D kan öppna upp en hel mängd applikationer, säger de, från förbättrad datorlagring till skapandet av 3D-datornätverk som efterliknar den mänskliga hjärnans neurala struktur.

"I över 10 år har forskare skapat och studerat artificiell spin-is i två dimensioner. Genom att utöka sådana system till tre dimensioner får vi en mycket mer exakt representation av spin-is-monopolens fysik och kan studera effekten av ytor, " sa huvudförfattaren Dr. Sam Ladak från Cardiff University's School of Physics and Astronomy.

"Det här är första gången som någon har kunnat skapa en exakt 3D-replika av en spin-is, genom design, på nanoskala."

Den konstgjorda spin-isen skapades med hjälp av toppmoderna 3D-nanotillverkningstekniker där små nanotrådar staplades i fyra lager i en gitterstruktur, som i sig mätte mindre än ett människohårs bredd totalt sett.

En speciell typ av mikroskopi känd som magnetisk kraftmikroskopi, som är känslig för magnetism, användes sedan för att visualisera de magnetiska laddningarna som finns på enheten, vilket gör att teamet kan spåra rörelsen av enpoliga magneter över 3D-strukturen.

"Vårt arbete är viktigt eftersom det visar att 3D-utskriftstekniker i nanoskala kan användas för att efterlikna material som vanligtvis syntetiseras via kemi, " fortsatte Dr Ladak.

"I sista hand, detta arbete kan ge ett sätt att producera nya magnetiska metamaterial, där materialegenskaperna ställs in genom att styra 3D-geometrin hos ett konstgjort gitter.

"Magnetiska lagringsenheter, till exempel en hårddisk eller magnetiska minnesenheter, är ett annat område som kan påverkas massivt av detta genombrott. Eftersom nuvarande enheter bara använder två av de tre tillgängliga dimensionerna, detta begränsar mängden information som kan lagras. Eftersom monopolerna kan flyttas runt 3D-gittret med hjälp av ett magnetfält kan det vara möjligt att skapa en äkta 3D-lagringsenhet baserad på magnetisk laddning."