Si scopre che doppie eliche magnetiche su nanoscala (in alto) ospitano trame altamente accoppiate, osservate sia sperimentalmente che con simulazioni (in basso). Credito:Claire Donnelly
Gli scienziati hanno utilizzato la stampa 3D e la microscopia all'avanguardia per fornire una nuova visione di ciò che accade quando si portano i magneti a tre dimensioni su scala nanometrica, 1000 volte più piccoli di un capello umano.
Il team internazionale guidato dal Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge ha utilizzato una tecnica di stampa 3D avanzata sviluppata per creare doppie eliche magnetiche, come la doppia elica del DNA, che si attorcigliano l'una intorno all'altra, combinando curvatura, chiralità e forti interazioni di campo magnetico tra le eliche. In tal modo, gli scienziati hanno scoperto che queste doppie eliche magnetiche producono strutture topologiche su scala nanometrica nel campo magnetico, qualcosa che non era mai stato visto prima, aprendo le porte alla prossima generazione di dispositivi magnetici. I risultati sono pubblicati su Nature Nanotechnology .
I dispositivi magnetici hanno un impatto su molte parti diverse delle nostre società, i magneti vengono utilizzati per la generazione di energia, per l'archiviazione dei dati e l'informatica. Ma i dispositivi di calcolo magnetico si stanno avvicinando rapidamente al loro limite di contrazione nei sistemi bidimensionali. Per la prossima generazione di informatica, c'è un crescente interesse per il passaggio alle tre dimensioni, dove non solo è possibile ottenere densità più elevate con architetture di nanofili 3D, ma le geometrie tridimensionali possono modificare le proprietà magnetiche e offrire nuove funzionalità.
"C'è stato molto lavoro attorno a una tecnologia ancora da definire chiamata racetrack memory, proposta per la prima volta da Stuart Parkin. L'idea è quella di archiviare i dati digitali nelle pareti del dominio magnetico dei nanofili per produrre dispositivi di archiviazione delle informazioni con un'elevata affidabilità , prestazioni e capacità", ha affermato Claire Donnelly, la prima autrice dello studio del Cavendish Laboratory di Cambridge, che si è recentemente trasferita al Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids.
"Ma fino ad ora questa idea è sempre stata molto difficile da realizzare, perché dobbiamo essere in grado di realizzare sistemi magnetici tridimensionali e dobbiamo anche capire l'effetto dell'andare in tre dimensioni sia sulla magnetizzazione che sul campo magnetico. "
"Quindi, negli ultimi anni la nostra ricerca si è concentrata sullo sviluppo di nuovi metodi per visualizzare strutture magnetiche tridimensionali:pensa a una TAC in un ospedale, ma per i magneti. Abbiamo anche sviluppato una tecnica di stampa 3D per materiali magnetici".
Le misurazioni 3D sono state eseguite presso la linea di luce PolLux della sorgente luminosa svizzera presso l'Istituto Paul Scherrer, attualmente l'unica linea di luce in grado di offrire una laminografia a raggi X morbidi. Utilizzando queste tecniche avanzate di imaging a raggi X, i ricercatori hanno osservato che la struttura del DNA 3D porta a una consistenza diversa nella magnetizzazione rispetto a quella vista in 2D. Le coppie di pareti tra i domini magnetici (regioni in cui la magnetizzazione punta tutti nella stessa direzione) nelle eliche vicine sono altamente accoppiate e, di conseguenza, si deformano. Queste pareti si attraggono e, a causa della struttura 3D, ruotano, "bloccandosi" in posizione e formando legami forti e regolari, simili alle coppie di basi nel DNA.
"Non solo abbiamo scoperto che la struttura 3D porta a interessanti nanotessiture topologiche nella magnetizzazione, dove siamo relativamente abituati a vedere tali strutture, ma anche nel campo magnetico disperso, che ha rivelato nuove entusiasmanti configurazioni di campo su nanoscala!" disse Donnelly.
"Questa nuova capacità di modellare il campo magnetico su questa scala di lunghezza ci consente di definire quali forze verranno applicate ai materiali magnetici e di capire fino a che punto possiamo andare con la modellazione di questi campi magnetici. Se riusciamo a controllare quelle forze magnetiche su scala nanometrica, ci avviciniamo al raggiungimento dello stesso grado di controllo che abbiamo in due dimensioni."
"Il risultato è affascinante:le trame nella doppia elica simile al DNA formano forti legami tra le eliche, deformando di conseguenza la loro forma", ha spiegato l'autore principale Amalio Fernandez-Pacheco, ex ricercatore di Cavendish, che ora lavora presso l'Institute of Nanoscience &Materiali dell'Aragona. "Ma ciò che è più eccitante è che attorno a questi legami si formano vortici nel campo magnetico, trame topologiche!"
Essendo passata da due a tre dimensioni in termini di magnetizzazione, ora Donnelly e i suoi collaboratori del Paul Scherrer Institute e delle Università di Glasgow, Saragozza, Oviedo e Vienna esploreranno il pieno potenziale del passaggio da due a tre dimensioni in termini di il campo magnetico.
"Le prospettive di questo lavoro sono molteplici:queste strutture fortemente legate nelle eliche magnetiche promettono un movimento altamente robusto e potrebbero essere un potenziale vettore di informazioni", ha affermato Fernandez-Pacheco. "Ancora più eccitante è questo nuovo potenziale per modellare il campo magnetico su scala nanometrica, questo potrebbe offrire nuove possibilità di intrappolamento di particelle, tecniche di imaging e materiali intelligenti". + Esplora ulteriormente
