Magnetiska dubbla helixar i nanoskala (överst) har visat sig vara värd för starkt kopplade texturer, observerade både experimentellt och med simuleringar (nederst). Kredit:Claire Donnelly
Forskare har använt toppmodern 3D-utskrift och mikroskopi för att ge en ny glimt av vad som händer när man tar magneter till tre dimensioner på nanoskala - 1000 gånger mindre än ett människohår.
Det internationella teamet under ledning av Cambridge Universitys Cavendish Laboratory använde en avancerad 3D-utskriftsteknik som de utvecklade för att skapa magnetiska dubbla helixar - som den dubbla helixen av DNA - som vrider sig runt varandra och kombinerar krökning, kiralitet och starka magnetfältsinteraktioner mellan spiralerna. Genom att göra det upptäckte forskarna att dessa magnetiska dubbla helixar producerar topologiska strukturer i nanoskala i magnetfältet, något som aldrig tidigare setts, vilket öppnar dörren till nästa generation av magnetiska enheter. Resultaten publiceras i Nature Nanotechnology .
Magnetiska enheter påverkar många olika delar av vårt samhälle, magneter används för att generera energi, för datalagring och datoranvändning. Men magnetiska datorenheter närmar sig snabbt sin krympningsgräns i tvådimensionella system. För nästa generations datorer finns det ett växande intresse för att flytta till tre dimensioner, där inte bara högre densiteter kan uppnås med 3D nanotrådsarkitekturer, utan tredimensionella geometrier kan förändra de magnetiska egenskaperna och erbjuda nya funktioner.
"Det har varit mycket arbete kring en ännu inte etablerad teknik som kallas racerbaneminne, först föreslog av Stuart Parkin. Tanken är att lagra digital data i nanotrådarnas magnetiska domänväggar för att producera informationslagringsenheter med hög tillförlitlighet , prestanda och kapacitet", säger Claire Donnelly, studiens första författare från Cambridges Cavendish Laboratory, som nyligen har flyttat till Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids.
"Men fram till nu har denna idé alltid varit väldigt svår att förverkliga, eftersom vi måste kunna göra tredimensionella magnetiska system och vi måste också förstå effekten av att gå till tre dimensioner på både magnetiseringen och magnetfältet. "
"Så, under de senaste åren har vår forskning fokuserat på att utveckla nya metoder för att visualisera tredimensionella magnetiska strukturer – tänk på en datortomografi på ett sjukhus, men för magneter. Vi har också utvecklat en 3D-utskriftsteknik för magnetiska material."
3D-mätningarna utfördes vid PolLux-strållinjen hos den schweiziska ljuskällan vid Paul Scherrer-institutet, för närvarande den enda strållinjen som kan erbjuda mjuk röntgenlaminografi. Med hjälp av dessa avancerade röntgentekniker observerade forskarna att 3D-DNA-strukturen leder till en annan textur i magnetiseringen jämfört med vad som ses i 2D. Par av väggar mellan magnetiska domäner (regioner där magnetiseringen alla pekar i samma riktning) i angränsande helixar är starkt kopplade - och som ett resultat deformeras. Dessa väggar attraherar varandra och, på grund av 3D-strukturen, roterar de, "låser" på plats och bildar starka, regelbundna bindningar, liknande basparen i DNA.
"Vi fann inte bara att 3D-strukturen leder till intressanta topologiska nanotexturer i magnetiseringen, där vi är relativt vana vid att se sådana texturer, utan också i det magnetiska ströfältet, vilket avslöjade spännande nya fältkonfigurationer i nanoskala!" sa Donnelly.
"Denna nya förmåga att mönstra magnetfältet på den här längdskalan tillåter oss att definiera vilka krafter som kommer att appliceras på magnetiska material och att förstå hur långt vi kan gå med att mönstra dessa magnetfält. Om vi kan kontrollera dessa magnetiska krafter på nanoskalan, vi kommer närmare att nå samma grad av kontroll som vi har i två dimensioner."
"Resultatet är fascinerande - texturerna i den DNA-liknande dubbelhelixen bildar starka bindningar mellan spiralerna, vilket deformerar deras form", förklarade huvudförfattaren Amalio Fernandez-Pacheco, före detta Cavendish-forskare, som nu arbetar vid Institute of Nanoscience &Material från Aragón. "Men vad som är mer spännande är att runt dessa bindningar bildar virvlar i magnetfältet - topologiska texturer!"
Efter att ha gått från två till tre dimensioner när det gäller magnetiseringen kommer nu Donnelly och hennes medarbetare från Paul Scherrer Institute och universiteten i Glasgow, Zaragoza, Oviedo och Wien att utforska den fulla potentialen av att gå från två till tre dimensioner i termer av magnetfältet.
"Möjligheterna för detta arbete är många:dessa starkt bundna texturer i de magnetiska helixarna lovar mycket robust rörelse och kan vara en potentiell bärare av information", säger Fernandez-Pacheco. "Ännu mer spännande är den här nya potentialen att mönstra magnetfältet i nanoskala, detta kan erbjuda nya möjligheter för partikelfångning, avbildningstekniker såväl som smarta material." + Utforska vidare
