Un gruppo di ricerca guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha creato un "parco giochi" su nanoscala su un chip che simula la formazione di particelle magnetiche esotiche chiamate monopoli. Lo studio, pubblicato di recente in Progressi scientifici - potrebbe svelare i segreti per sempre più piccoli, dispositivi di memoria più potenti, microelettronica, e dischi rigidi di nuova generazione che utilizzano la potenza della rotazione magnetica per archiviare i dati.

Segui le "regole del ghiaccio"

Per anni, altri ricercatori hanno cercato di creare un modello del mondo reale di un monopolio magnetico, un magnetico teorico, particella subatomica che ha un solo polo nord o sud. Queste particelle sfuggenti possono essere simulate e osservate producendo materiali artificiali di ghiaccio rotante - grandi schiere di nanomagneti che hanno strutture analoghe al ghiaccio d'acqua - in cui la disposizione degli atomi non è perfettamente simmetrica, portando a poli nord o sud residui.

Gli opposti si attraggono nel magnetismo (i poli nord sono attratti dai poli sud, e viceversa) quindi questi poli singoli tentano di muoversi per trovare il loro abbinamento perfetto. Ma poiché gli spin ice artificiali convenzionali sono sistemi 2-D, i monopoli sono molto ristretti, e quindi non sono rappresentazioni realistiche di come si comportano i monopoli magnetici, ha affermato l'autore principale Alan Farhan, che era un borsista post-dottorato presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab al momento dello studio, ed è ora con l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera.

Per superare questo ostacolo, il team guidato dal Berkeley Lab ha simulato un sistema 3-D su nanoscala che segue "regole del ghiaccio, "un principio che governa il modo in cui gli atomi si dispongono nel ghiaccio formato dall'acqua o dal minerale pirocloro.

"Questo è un elemento cruciale del nostro lavoro, " ha detto Farhan. "Con il nostro sistema 3D, un monopolio nord o un monopolo sud può muoversi dove vuole andare, interagendo con altre particelle nel suo ambiente come farebbe una carica magnetica isolata, in altre parole, come un monopolio".

Un nanomondo su un chip

Il team ha utilizzato sofisticati strumenti di litografia sviluppati presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura di ricerca scientifica su nanoscala, per modellare un 3-D, reticolo quadrato di nanomagneti. Ogni magnete nel reticolo ha le dimensioni di un batterio e poggia su un piano, Wafer di silicio di 1 centimetro per 1 centimetro.

"È un nanomondo, con una minuscola architettura su un minuscolo wafer, " ma configurato atomicamente esattamente come il ghiaccio naturale, disse Farhan.

Per costruire la nanostruttura, i ricercatori hanno sintetizzato due esposizioni, ciascuno allineato entro 20-30 nanometri. Alla Fonderia Molecolare, il coautore Scott Dhuey ha fabbricato nanopattern di quattro tipi di strutture su un minuscolo chip di silicio. I chip sono stati poi studiati presso l'ALS, una struttura di ricerca sulla sorgente di luce di sincrotrone aperta a scienziati in visita da tutto il mondo. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X (PEEM), dirigere potenti fasci di luce a raggi X sensibili alle strutture magnetiche sui nanopattern per osservare come potrebbero formarsi e muoversi i monopoli in risposta ai cambiamenti di temperatura.

A differenza dei microscopi PEEM ad altre sorgenti luminose, Il microscopio PEEM3 di Berkeley Lab ha un angolo di incidenza dei raggi X più elevato, minimizzare gli effetti delle ombre, che sono simili alle ombre proiettate da un edificio quando il sole colpisce la superficie con una certa angolazione. "Infatti, le immagini registrate non rivelano alcun effetto ombra, " ha detto Farhan. "Questo rende il PEEM3 l'elemento più cruciale per il successo di questo progetto."

Farhan ha aggiunto che il PEEM3 è l'unico microscopio al mondo che offre agli utenti il ​​pieno controllo della temperatura nell'intervallo inferiore a 100 Kelvin (inferiore a meno 280 gradi Fahrenheit), catturare in tempo reale come si formano i monopoli magnetici emergenti quando il ghiaccio artificiale congelato si scioglie in un liquido, e mentre il liquido evapora in uno stato gassoso di cariche magnetiche, una forma di materia nota come plasma.

I ricercatori ora sperano di modellare nanomagneti sempre più piccoli per il progresso della spintronica più piccola ma più potente, un ambito ambito della microelettronica che attinge alle proprietà di spin magnetico delle particelle per archiviare più dati in dispositivi più piccoli come i dischi rigidi magnetici.

Tali dispositivi utilizzerebbero pellicole magnetiche e pellicole sottili superconduttrici per distribuire e manipolare monopoli magnetici per ordinare e archiviare dati in base alla direzione nord o sud dei loro poli, analoghi a quelli e zeri nei dispositivi di memorizzazione magnetici convenzionali.