Трехмерные (3D) наносети обещают новую эру в современной физике твердого тела с многочисленными приложениями в фотонике, биомедицине и спинтронике.
Реализация трехмерных магнитных наноархитектур может позволить создать сверхбыстрые устройства хранения данных с низким энергопотреблением. Из-за конкурирующих магнитных взаимодействий в этих системах могут возникать магнитные заряды или магнитные монополи, которые могут использоваться в качестве мобильных двоичных носителей информации. Исследователи из Венского университета разработали первую трехмерную искусственную решетку из вращающегося льда, содержащую несвязанные магнитные заряды. Результаты, опубликованные в журнале npj Computational Materials, представляют собой первую теоретическую демонстрацию того, что в новой решетке магнитные монополи стабильны при комнатной температуре и могут управляться по запросу внешними магнитными полями.
Возникающие магнитные монополи наблюдаются в классе магнитных материалов, называемых спиновыми льдами. Однако атомные масштабы и требуемые низкие температуры для их стабильности ограничивают их управляемость. Это привело к разработке 2D искусственного спинового льда, в котором отдельные атомные моменты заменены магнитными наноостровками, расположенными на разных решетках. Масштабирование позволило изучить возникающие магнитные монополи на более доступных платформах. При изменении магнитной ориентации определенных наноостровков монополи распространяются на одну вершину дальше, оставляя за собой след. Этот след, струны Дирака, обязательно накапливает энергию и связывает монополи, ограничивая их подвижность.
Исследователи Сабри Коралтана и Флориана Слановца под руководством Дитера Зюсса из Венского университета разработали первую трехмерную решетку искусственного спинового льда, сочетающую в себе преимущества как атомного, так и двумерного искусственного спинового льда.
В сотрудничестве с группой наномагнетизма и магноники из Венского университета и теоретическим отделом Лос-Аламосской лаборатории, США, преимущества новой решетки изучаются с использованием микромагнитного моделирования. Здесь плоские 2D наноостровки заменены магнитными эллипсоидами вращения и используется трехмерная решетка с высокой симметрией. «Из-за вырождения основного состояния натяжение струн Дирака исчезает, разрывая магнитные монополи», — отмечает Сабри Коралтан, один из первых авторов исследования. Исследователи перешли к следующему этапу исследования, когда в их моделировании один магнитный монополь распространялся через решетку путем приложения внешних магнитных полей, демонстрируя его применение в качестве носителей информации в трехмерной магнитной наносети.
Сабри Коралтан добавляет: «Мы используем третье измерение и высокую симметрию в новой решетке, чтобы развязать магнитные монополи и перемещать их в желаемых направлениях, почти как настоящие электроны». Другой первый автор, Флориан Слановц, заключает: «Термическая стабильность монополей при комнатной температуре и выше может заложить основу для новаторских технологий хранения 3D нового поколения».