由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个研究小组在芯片上创建了一个纳米尺度的“游乐场”，模拟外来磁性粒子的形成，称为“单极子”。该研究最近发表在“ 科学进步”杂志上。为更小，更强大的存储设备，微电子技术和采用磁旋转功能存储数据的下一代硬盘驱动器揭开秘密。

遵循'冰规则'

多年来，其他研究人员一直试图创建一个磁性单极子的真实世界模型 - 一个具有单个北极或南极的理论磁性亚原子粒子。这些难以捉摸的粒子可以通过制造人造旋转冰材料来模拟和观察 - 人造旋转冰材料 - 具有类似于水冰的结构的大型纳米磁体阵列 - 其中原子的排列不是完全对称的，导致残留的北极或南极。

对立面吸引磁力(北极被吸引到南极，反之亦然)所以这些单极试图移动找到他们的完美匹配。但由于传统的人工自旋冰的2D系统中，单极子高度限制，因此是不如何磁单极子的行为现实表现，说主要作者艾伦·法尔汉，谁是在伯克利实验室的博士后研究员先进光源(ALS)的这项研究的时间，现在与瑞士的Paul Scherrer研究所合作。

为了克服这一障碍，伯克利实验室领导的团队模拟了一个遵循“冰规则”的纳米级3D系统，这个规则控制着原子如何在由水或矿物烧绿石形成的冰中排列。

“这是我们工作的一个关键因素，”法尔汉说。“通过我们的3D系统，北极单极或南极单极可以移动到任何想去的地方，与环境中的其他粒子相互作用就像孤立的磁荷一样 - 换句话说就像单极子一样。”

该团队使用伯克利实验室分子铸造厂(一家纳米级科学研究机构)开发的复杂光刻工具来模拟纳米磁铁的3D方形晶格。晶格中的每个磁体大约是细菌的大小，并且放置在平坦的1×1厘米的硅晶片上。

Farhan表示，“这是一个纳米世界 - 在微小的晶圆上采用微小的结构”，但原子配置与天然冰完全相同。

为了构建纳米结构，研究人员合成了两次曝光，每次曝光在20到30纳米之间。在Molecular Foundry，共同作者Scott Dhuey在微小的硅芯片上制作了四种结构的纳米图案。然后在ALS研究芯片，ALS是一个同步加速器光源研究设施，向来自世界各地的访问科学家开放。研究人员使用了一种称为X射线光电子显微镜(PEEM)的技术，将强大的X射线光束引导到纳米图案的磁性结构，观察单极子如何形成和移动以响应温度的变化。

与其他光源的PEEM显微镜相比，伯克利实验室的PEEM3显微镜具有更高的X射线入射角，最大限度地减少了阴影效应 - 这与当太阳以一定角度撞击表面时建筑物投射的阴影相似。“事实上，所记录的图像显示没有任何阴影效应，”法尔汉说。“这使得PEEM3成为该项目成功的最关键因素。”

Farhan补充说，PEEM3是世界上唯一一款能够在低于100开尔文(低于零下280华氏度)范围内为用户提供全温度控制的显微镜，实时捕捉当人工冰冻融化成液体时出现的异常磁单极子当液体蒸发成类似气体的磁荷状态时 - 一种称为等离子体的物质。

研究人员现在希望将越来越小的纳米磁体用于推进更小但更强大的自旋电子学 - 这是一个广受欢迎的微电子领域，利用粒子的磁自旋特性将更多数据存储在磁性硬盘等较小的设备中。

这种装置将使用磁性薄膜和超导薄膜来部署和操纵磁单极子，以根据其极的北或南方向对数据进行分类和存储 - 类似于传统磁存储装置中的零和零。