如何在法案中捕獲磁單極子

由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)領導的一個研究小組在芯片上創建了一個納米尺度的“游樂場”，模擬外來磁性粒子的形成，稱為“單極子”。該研究最近發表在“ 科學進步”雜志上。為更小，更強大的存儲設備，微電子技術和采用磁旋轉功能存儲數據的下一代硬盤驅動器揭開秘密。

遵循'冰規則'

多年來，其他研究人員一直試圖創建一個磁性單極子的真實世界模型 - 一個具有單個北極或南極的理論磁性亞原子粒子。這些難以捉摸的粒子可以通過制造人造旋轉冰材料來模擬和觀察 - 人造旋轉冰材料 - 具有類似于水冰的結構的大型納米磁體陣列 - 其中原子的排列不是完全對稱的，導致殘留的北極或南極。

對立面吸引磁力(北極被吸引到南極，反之亦然)所以這些單極試圖移動找到他們的完美匹配。但由于傳統的人工自旋冰的2D系統中，單極子高度限制，因此是不如何磁單極子的行為現實表現，說主要作者艾倫·法爾漢，誰是在伯克利實驗室的博士后研究員先進光源(ALS)的這項研究的時間，現在與瑞士的Paul Scherrer研究所合作。

為了克服這一障礙，伯克利實驗室領導的團隊模擬了一個遵循“冰規則”的納米級3D系統，這個規則控制著原子如何在由水或礦物燒綠石形成的冰中排列。

“這是我們工作的一個關鍵因素，”法爾漢說。“通過我們的3D系統，北極單極或南極單極可以移動到任何想去的地方，與環境中的其他粒子相互作用就像孤立的磁荷一樣 - 換句話說就像單極子一樣。”

該團隊使用伯克利實驗室分子鑄造廠(一家納米級科學研究機構)開發的復雜光刻工具來模擬納米磁鐵的3D方形晶格。晶格中的每個磁體大約是細菌的大小，并且放置在平坦的1×1厘米的硅晶片上。

Farhan表示，“這是一個納米世界 - 在微小的晶圓上采用微小的結構”，但原子配置與天然冰完全相同。

為了構建納米結構，研究人員合成了兩次曝光，每次曝光在20到30納米之間。在Molecular Foundry，共同作者Scott Dhuey在微小的硅芯片上制作了四種結構的納米圖案。然后在ALS研究芯片，ALS是一個同步加速器光源研究設施，向來自世界各地的訪問科學家開放。研究人員使用了一種稱為X射線光電子顯微鏡(PEEM)的技術，將強大的X射線光束引導到納米圖案的磁性結構，觀察單極子如何形成和移動以響應溫度的變化。

與其他光源的PEEM顯微鏡相比，伯克利實驗室的PEEM3顯微鏡具有更高的X射線入射角，最大限度地減少了陰影效應 - 這與當太陽以一定角度撞擊表面時建筑物投射的陰影相似。“事實上，所記錄的圖像顯示沒有任何陰影效應，”法爾漢說。“這使得PEEM3成為該項目成功的最關鍵因素。”

Farhan補充說，PEEM3是世界上唯一一款能夠在低于100開爾文(低于零下280華氏度)范圍內為用戶提供全溫度控制的顯微鏡，實時捕捉當人工冰凍融化成液體時出現的異常磁單極子當液體蒸發成類似氣體的磁荷狀態時 - 一種稱為等離子體的物質。

研究人員現在希望將越來越小的納米磁體用于推進更小但更強大的自旋電子學 - 這是一個廣受歡迎的微電子領域，利用粒子的磁自旋特性將更多數據存儲在磁性硬盤等較小的設備中。

這種裝置將使用磁性薄膜和超導薄膜來部署和操縱磁單極子，以根據其極的北或南方向對數據進行分類和存儲 - 類似于傳統磁存儲裝置中的零和零。