Uma equipe de pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) criou um "playground" em nanoescala em um chip que simula a formação de partículas magnéticas exóticas chamadas monopolos. O estudo - publicado recentemente em Avanços da Ciência - poderia desvendar os segredos para cada vez menores, dispositivos de memória mais poderosos, microeletrônica, e discos rígidos de última geração que empregam o poder da rotação magnética para armazenar dados.

Siga as 'regras de gelo'

Por anos, outros pesquisadores têm tentado criar um modelo do mundo real de um monopolo magnético - um magnético teórico, partícula subatômica que possui um único pólo norte ou sul. Essas partículas elusivas podem ser simuladas e observadas pela fabricação de materiais de spin ice artificial - grandes matrizes de nanoímãs que têm estruturas análogas ao gelo de água - em que o arranjo dos átomos não é perfeitamente simétrico, levando a pólos norte ou sul residuais.

Os opostos se atraem no magnetismo (os pólos norte são atraídos para os pólos sul, e vice-versa), então esses pólos únicos tentam se mover para encontrar sua combinação perfeita. Mas, como os gelos de spin artificiais convencionais são sistemas 2-D, os monopólos são altamente confinados, e, portanto, não são representações realistas de como os monopólos magnéticos se comportam, disse o autor principal Alan Farhan, que era pós-doutorado na Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab no momento do estudo, e agora está no Instituto Paul Scherrer na Suíça.

Para superar esse obstáculo, a equipe do Berkeley Lab simulou um sistema 3-D em nanoescala que segue "regras de gelo, "um princípio que rege como os átomos se organizam no gelo formado a partir da água ou do pirocloro mineral.

"Este é um elemento crucial do nosso trabalho, "disse Farhan." Com nosso sistema 3-D, um monopolo norte ou monopolo sul pode se mover para onde quiser, interagindo com outras partículas em seu ambiente como uma carga magnética isolada faria - em outras palavras, como um monopolo. "

Um nanomundo em um chip

A equipe usou ferramentas sofisticadas de litografia desenvolvidas na Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de pesquisa científica em nanoescala, para padronizar um 3-D, rede quadrada de nanoímãs. Cada ímã na rede é do tamanho de uma bactéria e fica em uma superfície plana, Wafer de silício de 1 centímetro por 1 centímetro.

"É um nanomundo - com arquitetura minúscula em uma bolacha minúscula, "mas atomicamente configurado exatamente como o gelo natural, disse Farhan.

Para construir a nanoestrutura, os pesquisadores sintetizaram duas exposições, cada um alinhado dentro de 20 a 30 nanômetros. Na Fundição Molecular, o co-autor Scott Dhuey fabricou nanopadrões de quatro tipos de estruturas em um minúsculo chip de silício. Os chips foram então estudados no ALS, uma instalação de pesquisa de fonte de luz síncrotron aberta a cientistas visitantes de todo o mundo. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada microscopia eletrônica de fotoemissão de raios-X (PEEM), direcionar feixes poderosos de luz de raios-X sensíveis a estruturas magnéticas nos nanopadrões para observar como os monopólos podem se formar e se mover em resposta às mudanças na temperatura.

Em contraste com microscópios PEEM em outras fontes de luz, O microscópio PEEM3 do Berkeley Lab tem um ângulo de incidência de raios-X mais alto, minimizando os efeitos de sombra - que são semelhantes às sombras projetadas por uma construção quando o sol atinge a superfície em um determinado ângulo. "Na verdade, as imagens gravadas não revelam nenhum efeito de sombra, "disse Farhan." Isso torna o PEEM3 o elemento mais crucial para o sucesso deste projeto. "

Farhan acrescentou que o PEEM3 é o único microscópio no mundo que dá aos usuários controle total de temperatura na faixa de sub-100 Kelvin (abaixo de menos 280 graus Fahrenheit), capturar em tempo real como os monopólos magnéticos emergentes se formam à medida que o gelo artificial congelado derrete em um líquido, e à medida que o líquido evapora em um estado gasoso de cargas magnéticas - uma forma de matéria conhecida como plasma.

Os pesquisadores agora esperam padronizar nanoímãs cada vez menores para o avanço de spintrônica cada vez mais potente - um campo procurado de microeletrônica que explora as propriedades de spin magnético das partículas para armazenar mais dados em dispositivos menores, como discos rígidos magnéticos.

Esses dispositivos usariam filmes magnéticos e filmes finos supercondutores para implantar e manipular monopólos magnéticos para classificar e armazenar dados com base na direção norte ou sul de seus pólos - análogos aos uns e zeros em dispositivos convencionais de armazenamento magnético.