Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha creado un "patio de recreo" a nanoescala en un chip que simula la formación de partículas magnéticas exóticas llamadas monopolos. El estudio, publicado recientemente en Avances científicos - podría desbloquear los secretos de dispositivos de memoria, microelectrónica y discos duros de última generación cada vez más pequeños y potentes que emplean la potencia del giro magnético para almacenar datos.
Siga las 'reglas de hielo'
Durante años, otros investigadores han intentado crear un modelo del mundo real de un monopolo magnético, una partícula subatómica magnética teórica que tiene un solo polo norte o sur. Estas escurridizas partículas pueden simularse y observarse mediante la fabricación de espines artificialesmateriales de hielo: grandes conjuntos de nanoimanes que tienen estructuras análogas al hielo de agua, en donde la disposición de los átomos no es perfectamente simétrica, lo que lleva a los polos residuales norte o sur.
Los polos opuestos se atraen en el magnetismo los polos norte se dibujan hacia los polos sur y viceversa, por lo que estos polos individuales intentan moverse para encontrar su pareja perfecta. Pero debido a que los hielos artificiales convencionales son sistemas 2D, los monopolos están muy confinados, yPor lo tanto, no son representaciones realistas de cómo se comportan los monopolos magnéticos, dijo el autor principal, Alan Farhan, quien era becario postdoctoral en Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab en el momento del estudio, y ahora está en el Instituto Paul Scherrer en Suiza.
Para superar este obstáculo, el equipo liderado por Berkeley Lab simuló un sistema 3D a nanoescala que sigue las "reglas de hielo", un principio que gobierna cómo los átomos se organizan en el hielo formado a partir del agua o el pirocloro mineral.
"Este es un elemento crucial de nuestro trabajo", dijo Farhan. "Con nuestro sistema 3D, un monopolo norte o monopolo sur puede moverse a donde quiera ir, interactuando con otras partículas en su entorno como lo haría una carga magnética aislada:- en otras palabras, como un monopolo "
Un nanomundo en un chip
El equipo utilizó sofisticadas herramientas de litografía desarrolladas en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de investigación científica a nanoescala, para diseñar un enrejado cuadrado en 3D de nanoimanes. Cada imán en el enrejado es aproximadamente del tamaño de una bacteria y descansa sobre un plano, 1centímetro por 1 centímetro de oblea de silicio.
"Es un nanomundo, con una arquitectura pequeña en una pequeña oblea", pero atómicamente configurado exactamente como el hielo natural, dijo Farhan.
Para construir la nanoestructura, los investigadores sintetizaron dos exposiciones, cada una alineada dentro de 20 a 30 nanómetros. En la Fundición Molecular, el coautor Scott Dhuey fabricó nanopatrones de cuatro tipos de estructuras en un pequeño chip de silicio. Luego se estudiaron los chipsen el ALS, un centro de investigación de fuente de luz sincrotrón abierto a científicos visitantes de todo el mundo, los investigadores utilizaron una técnica llamada microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X PEEM, que dirige potentes haces de luz de rayos X sensibles a las estructuras magnéticas en los nanopatrones.para observar cómo pueden formarse y moverse los monopolos en respuesta a los cambios de temperatura.
A diferencia de los microscopios PEEM en otras fuentes de luz, el microscopio PEEM3 de Berkeley Lab tiene un ángulo de incidencia de rayos X más alto, lo que minimiza los efectos de sombra, que son similares a las sombras proyectadas por un edificio cuando el sol golpea la superficie en cierta superficie.ángulo ". De hecho, las imágenes grabadas no muestran ningún efecto de sombra", dijo Farhan. "Esto hace que el PEEM3 sea el elemento más crucial para el éxito de este proyecto".
Farhan agregó que el PEEM3 es el único microscopio en el mundo que brinda a los usuarios un control total de la temperatura en el rango de menos de 100 Kelvin por debajo de menos 280 grados Fahrenheit, capturando en tiempo real cómo se forman los monopolos magnéticos emergentes a medida que el hielo congelado artificial se funde enun líquido, y a medida que el líquido se evapora en un estado similar al gas de cargas magnéticas, una forma de materia conocida como plasma.
Los investigadores ahora esperan modelar nanoimanes cada vez más pequeños para el avance de la espintrónica más pequeña pero más poderosa, un campo muy buscado de microelectrónica que aprovecha las propiedades de giro magnético de las partículas para almacenar más datos en dispositivos más pequeños como discos duros magnéticos.
Dichos dispositivos usarían películas magnéticas y películas delgadas superconductoras para desplegar y manipular monopolos magnéticos para clasificar y almacenar datos basados en la dirección norte o sur de sus polos, análogos a los unos y ceros en dispositivos de almacenamiento magnético convencionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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