Gli scienziati hanno compiuto un passo avanti verso la creazione di potenti dispositivi che sfruttano la carica magnetica creando la prima replica tridimensionale di un materiale noto come spin-ice.

I materiali di ghiaccio spin sono estremamente insoliti in quanto possiedono i cosiddetti difetti che si comportano come l'unico polo di un magnete.

Questi magneti unipolari, detti anche monopoli magnetici, non esistono in natura; quando ogni materiale magnetico viene tagliato in due creerà sempre un nuovo magnete con un polo nord e un polo sud.

Per decenni gli scienziati hanno cercato in lungo e in largo prove di monopoli magnetici naturali nella speranza di raggruppare finalmente le forze fondamentali della natura in una cosiddetta teoria del tutto, mettere tutta la fisica sotto lo stesso tetto.

Però, negli ultimi anni i fisici sono riusciti a produrre versioni artificiali di un monopolio magnetico attraverso la creazione di materiali spin-ice bidimensionali.

Ad oggi queste strutture hanno dimostrato con successo un monopolo magnetico, ma è impossibile ottenere la stessa fisica quando il materiale è confinato su un unico piano. Infatti, è la specifica geometria tridimensionale del reticolo spin-ghiaccio che è la chiave della sua insolita capacità di creare minuscole strutture che imitano i monopoli magnetici.

In un nuovo studio pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , un team guidato da scienziati dell'Università di Cardiff ha creato la prima replica 3D di un materiale spin-ice utilizzando un sofisticato tipo di stampa ed elaborazione 3D.

Il team afferma che la tecnologia di stampa 3D ha permesso loro di personalizzare la geometria del ghiaccio artificiale, il che significa che possono controllare il modo in cui i monopoli magnetici si formano e si spostano nei sistemi.

Essere in grado di manipolare i mini magneti monopolari in 3D potrebbe aprire tutta una serie di applicazioni, dicono, dall'archiviazione avanzata del computer alla creazione di reti informatiche 3D che imitano la struttura neurale del cervello umano.

"Per oltre 10 anni gli scienziati hanno creato e studiato lo spin-ice artificiale in due dimensioni. Estendendo tali sistemi a tre dimensioni otteniamo una rappresentazione molto più accurata della fisica del monopolio dello spin-ice e siamo in grado di studiare l'impatto delle superfici, ", ha affermato l'autore principale, il dott. Sam Ladak della School of Physics and Astronomy dell'Università di Cardiff.

"Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di creare una replica 3D esatta di uno spin-ice, per disegno, su scala nanometrica".

Lo spin-ice artificiale è stato creato utilizzando tecniche di nanofabbricazione 3D all'avanguardia in cui minuscoli nanofili sono stati impilati in quattro strati in una struttura reticolare, che a sua volta misurava complessivamente meno della larghezza di un capello umano.

Un tipo speciale di microscopia nota come microscopia a forza magnetica, che è sensibile al magnetismo, è stato poi utilizzato per visualizzare le cariche magnetiche presenti sul dispositivo, consentendo al team di monitorare il movimento dei magneti unipolari attraverso la struttura 3D.

"Il nostro lavoro è importante poiché dimostra che le tecnologie di stampa 3D su scala nanometrica possono essere utilizzate per imitare i materiali che vengono solitamente sintetizzati tramite chimica, " ha continuato il dottor Ladak.

"In definitiva, questo lavoro potrebbe fornire un mezzo per produrre nuovi metamateriali magnetici, dove le proprietà del materiale sono sintonizzate controllando la geometria 3D di un reticolo artificiale.

"Dispositivi di memorizzazione magnetici, come un'unità disco rigido o dispositivi di memoria magnetica ad accesso casuale, è un'altra area che potrebbe essere fortemente influenzata da questa svolta. Poiché i dispositivi attuali utilizzano solo due delle tre dimensioni disponibili, questo limita la quantità di informazioni che possono essere memorizzate. Poiché i monopoli possono essere spostati attorno al reticolo 3D utilizzando un campo magnetico, potrebbe essere possibile creare un vero dispositivo di archiviazione 3D basato sulla carica magnetica".