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 de la ciencia - podría desvelar los secretos de cada vez más pequeños, dispositivos de memoria más potentes, microelectrónica, y discos duros de próxima generación que emplean el poder del giro magnético para almacenar datos.

Siga las 'reglas del hielo'

Durante años, otros investigadores han intentado crear un modelo del mundo real de un monopolo magnético, un magnético teórico, partícula subatómica que tiene un solo polo norte o sur. Estas escurridizas partículas se pueden simular y observar mediante la fabricación de materiales de hielo de espín artificial (grandes conjuntos de nanoimanes que tienen estructuras análogas al hielo de agua) en los que la disposición de los átomos no es perfectamente simétrica. que conduce a los polos residuales norte o sur.

Los opuestos se atraen en el magnetismo (los polos norte se atraen a los polos sur, y viceversa) por lo que estos polos simples intentan moverse para encontrar su pareja perfecta. Pero debido a que los hielos de espín artificiales convencionales son sistemas 2-D, los monopolos están muy confinados, y por 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 trabaja en el Instituto Paul Scherrer en Suiza.

Para superar este obstáculo, el equipo dirigido por Berkeley Lab simuló un sistema tridimensional a nanoescala que sigue "reglas de hielo, "un principio que gobierna cómo los átomos se organizan en el hielo formado a partir del agua o del mineral pirocloro.

"Este es un elemento crucial de nuestro trabajo, "dijo Farhan." Con nuestro sistema 3-D, un monopolo norte o monopolo sur puede moverse a donde quiera ir, interactuar 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 modelar un 3-D, celosía cuadrada de nanoimanes. Cada imán del enrejado tiene aproximadamente el tamaño de una bacteria y descansa sobre una superficie plana. Oblea de silicio de 1 centímetro por 1 centímetro.

"Es un nanomundo, con una pequeña arquitectura en una pequeña oblea, "pero configurado atómicamente exactamente como el hielo natural, dijo Farhan.

Para construir la nanoestructura, los investigadores sintetizaron dos exposiciones, cada uno alineado 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, los chips se estudiaron en la ALS, una instalación de investigación de fuente de luz de sincrotrón abierta a científicos visitantes de todo el mundo. Los investigadores utilizaron una técnica llamada microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X (PEEM), dirigiendo potentes rayos de luz de rayos X sensibles a las estructuras magnéticas en los nanopatrones para observar cómo los monopolos podrían formarse y moverse 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, minimizar los efectos de sombra, que son similares a las sombras proyectadas por un edificio cuando el sol incide en la superficie en cierto ángulo. "De hecho, las imágenes grabadas no revelan 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 por debajo de los 100 Kelvin (menos de menos 280 grados Fahrenheit). capturar en tiempo real cómo se forman los monopolos magnéticos emergentes cuando el hielo artificial congelado se derrite en un líquido, y cuando el líquido se evapora en un estado gaseoso de cargas magnéticas, una forma de materia conocida como plasma.

Los investigadores ahora esperan modelar nanoimanes cada vez más pequeños para el avance de espintrónica más pequeña pero más poderosa, un campo codiciado de microelectrónica que aprovecha las propiedades de giro magnético de las partículas para almacenar más datos en dispositivos más pequeños como discos duros magnéticos.

Tales 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 los dispositivos de almacenamiento magnético convencionales.