人造3D单磁性纳米结构有望改变现代计算与存储装置

通过打造有史以来第一个被称作“旋转冰”的材料的 3D 复制品，科学家们已经朝着利用磁荷的强大设备又更近了一步。在今日发表于《自然通讯》期刊上的一项新研究中，由卡迪夫大学科学家带领的一支研究团队，就凭借复杂的 3D 打印和处理方法，制成了世界上首个旋转冰材料的 3D 复制品。

（图自：Cardiff University）

SCI Tech Daily 指出，旋冰（spin-ice）材料的特殊之处，在于其具有所谓的单极磁体缺陷 —— 但它在自然界中并不存在。据悉，当每种磁性材料被切成两半时，总会再形成一个具有南（S）北（N）极的新磁体。

不过几十年来，科学家们一直未放弃在到处寻找自然的磁单极子的例证。从而将自然的基本力归入所谓的万有理论，让物理学能够更好地集合到一个屋檐下。

研究配图 - 1：3D 人造旋冰示意

有趣的是，通过创造出二维的自旋冰材料，物理学家们已设法在近年制作出了人造版本的磁单极子。但迄今为止，当材料被限制在一个平面上时，它就不可能获得获得相同的物理特性。

事实上，正是自旋冰晶格的特定三维几何结构，是其创造模仿磁单极子的微小结构的非凡能力的最关键之处。

研究配图 - 2：3DASI 中的饱和状态成像

研究团队称，在 3D 打印技术的加持下，他们得以定制人造自旋冰的几何形状，意味着他们能够控制磁单极子的形成方式、及其在系统中的移动方式。

此外能够以 3D 方式操纵微型单极磁体，将为科学界开辟出大量的新应用 —— 从增强计算机存储、到创建模拟人脑神经结构的 3D 计算网络。

研究配图 - 3：单极激发的辨别

研究一作、卡迪夫大学物理与天文学院的 Sam Ladak 博士指出，这是首次有人通过人工设计，在纳米尺度上打造自旋冰的精确 3D 复制品。

“在持续了十多年的研究之后，科学家们已经将此类系统扩展到三个维度，从而让我们可以更准确地描绘自旋冰单极子的物理性质、并研究其表面的影响”。

研究配图 - 4：3D 人造自旋冰系统上的磁荷直接成像

本次实验中的人造自旋冰，使用了最先进的 3D 纳米制造技术。其中微小的纳米线，以晶格形式堆叠出了四层结构，而其本身的总宽度，仍小于人类的头发丝直径。

之后，科学家使用了一种对磁性相当敏感的特殊类型的显微镜（磁力显微镜），用以将装置上存在的电荷可视化，以便研究团队能够追踪单极磁体在 3D 结构上的运动。

研究配图 - 5：模拟 3D 人造自旋冰上的单极动力学示意

Sam Ladak 博士补充道，其工作的重要性，在于表明了纳米级 3D 打印技术可用于模拟此前需要化学合成才能制造的材料。

最终，这项工作有望衍生出一种生产新型磁性超材料的方法。比如通过控制人工晶格的 3D 几何形状，来调节材料的相关特性。

研究配图 - 6：3DASI 晶格上的磁荷能量图谱

举个例子，当前的机械硬盘/ 磁性随机存储装置只能应用 3D 维度中的 2D 结构，但这显然限制了它能够存储的信息量。

如果能够充分利用磁性单极子来围绕 3D 晶格移动，则有望打造出真正的 3D 存储设备。

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