通過打造有史以來第一個被稱作“旋轉冰”的材料的 3D 複製品，科學家們已經朝着利用磁荷的強大設備又更近了一步。在今日發表於《自然通訊》期刊上的一項新研究中，由卡迪夫大學科學家帶領的一支研究團隊，就憑藉複雜的 3D 打印和處理方法，製成了世界上首個旋轉冰材料的 3D 複製品。
（圖自：Cardiff University）
SCI Tech Daily 指出，旋冰（spin-ice）材料的特殊之處，在於其具有所謂的單極磁體缺陷 —— 但它在自然界中並不存在。據悉，當每種磁性材料被切成兩半時，總會再形成一個具有南（S）北（N）極的新磁體。
不過幾十年來，科學家們一直未放棄在到處尋找自然的磁單極子的例證。從而將自然的基本力歸入所謂的萬有理論，讓物理學能夠更好地集合到一個屋檐下。
研究配圖 – 1：3D 人造旋冰示意
有趣的是，通過創造出二維的自旋冰材料，物理學家們已設法在近年製作出了人造版本的磁單極子。但迄今為止，當材料被限制在一個平面上時，它就不可能獲得獲得相同的物理特性。
事實上，正是自旋冰晶格的特定三維幾何結構，是其創造模仿磁單極子的微小結構的非凡能力的最關鍵之處。
研究配圖 – 2：3DASI 中的飽和狀態成像
研究團隊稱，在 3D 打印技術的加持下，他們得以定製人造自旋冰的幾何形狀，意味着他們能夠控制磁單極子的形成方式、及其在系統中的移動方式。
此外能夠以 3D 方式操縱微型單極磁體，將為科學界開闢出大量的新應用 —— 從增強計算機存儲、到創建模擬人腦神經結構的 3D 計算網絡。
研究配圖 – 3：單極激發的辨別
研究一作、卡迪夫大學物理與天文學院的 Sam Ladak 博士指出，這是首次有人通過人工設計，在納米尺度上打造自旋冰的精確 3D 複製品。
“在持續了十多年的研究之後，科學家們已經將此類系統擴展到三個維度，從而讓我們可以更準確地描繪自旋冰單極子的物理性質、並研究其表面的影響”。
研究配圖 – 4：3D 人造自旋冰系統上的磁荷直接成像
本次實驗中的人造自旋冰，使用了最先進的 3D 納米製造技術。其中微小的納米線，以晶格形式堆疊出了四層結構，而其本身的總寬度，仍小於人類的頭髮絲直徑。
之後，科學家使用了一種對磁性相當敏感的特殊類型的顯微鏡（磁力顯微鏡），用以將裝置上存在的電荷可視化，以便研究團隊能夠追蹤單極磁體在 3D 結構上的運動。
研究配圖 – 5：模擬 3D 人造自旋冰上的單極動力學示意
Sam Ladak 博士補充道，其工作的重要性，在於表明了納米級 3D 打印技術可用於模擬此前需要化學合成才能製造的材料。
最終，這項工作有望衍生出一種生產新型磁性超材料的方法。比如通過控制人工晶格的 3D 幾何形狀，來調節材料的相關特性。
研究配圖 – 6：3DASI 晶格上的磁荷能量圖譜
舉個例子，當前的機械硬盤 / 磁性隨機存儲裝置只能應用 3D 維度中的 2D 結構，但這顯然限制了它能夠存儲的信息量。
如果能夠充分利用磁性單極子來圍繞 3D 晶格移動，則有望打造出真正的 3D 存儲設備。
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，
原標題為《三維人造自旋冰上的磁荷傳播》（Magnetic charge propagation upon a 3D artificial spin-ice）。