Os cientistas usaram impressão 3D e microscopia de última geração para fornecer um novo vislumbre do que acontece quando se leva ímãs a três dimensões em nanoescala - 1000 vezes menores do que um fio de cabelo humano.

A equipe internacional liderada pelo Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge usou uma técnica de impressão 3D avançada que desenvolveram para criar dupla hélice magnética - como a dupla hélice do DNA - que se torce, combinando curvatura, quiralidade e fortes interações de campo magnético entre as hélices. Ao fazer isso, os cientistas descobriram que essas duplas hélices magnéticas produzem texturas topológicas em nanoescala no campo magnético, algo que nunca havia sido visto antes, abrindo a porta para a próxima geração de dispositivos magnéticos. Os resultados são publicados na Nature Nanotechnology .

Dispositivos magnéticos impactam muitas partes diferentes de nossas sociedades, ímãs são usados ​​para a geração de energia, para armazenamento de dados e computação. Mas os dispositivos de computação magnética estão se aproximando rapidamente de seu limite de encolhimento em sistemas bidimensionais. Para a próxima geração de computação, há um interesse crescente em mudar para três dimensões, onde não apenas densidades mais altas podem ser alcançadas com arquiteturas de nanofios 3D, mas as geometrias tridimensionais podem alterar as propriedades magnéticas e oferecer novas funcionalidades.

"Tem havido muito trabalho em torno de uma tecnologia ainda não estabelecida chamada memória racetrack, proposta inicialmente por Stuart Parkin. A ideia é armazenar dados digitais nas paredes do domínio magnético dos nanofios para produzir dispositivos de armazenamento de informação com alta confiabilidade , desempenho e capacidade ", disse Claire Donnelly, a primeira autora do estudo do Laboratório Cavendish de Cambridge, que recentemente se mudou para o Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos.

“Mas até agora, essa ideia sempre foi muito difícil de realizar, porque precisamos ser capazes de fazer sistemas magnéticos tridimensionais e também precisamos entender o efeito de ir para três dimensões na magnetização e no campo magnético. "

"Então, nos últimos anos, nossa pesquisa se concentrou no desenvolvimento de novos métodos para visualizar estruturas magnéticas tridimensionais - pense em uma tomografia computadorizada em um hospital, mas para ímãs. Também desenvolvemos uma técnica de impressão 3D para materiais magnéticos ."

As medições 3D foram realizadas na linha de luz PolLux da Swiss Light Source no Paul Scherrer Institute, atualmente a única linha de luz capaz de oferecer laminografia de raios-X suave. Usando essas técnicas avançadas de imagem de raios-X, os pesquisadores observaram que a estrutura do DNA 3D leva a uma textura diferente na magnetização em comparação com o que é visto em 2D. Pares de paredes entre domínios magnéticos (regiões onde a magnetização aponta na mesma direção) em hélices vizinhas são altamente acoplados - e como resultado, deformam-se. Essas paredes se atraem e, por causa da estrutura 3D, giram, "travando" no lugar e formando ligações fortes e regulares, semelhantes aos pares de bases do DNA.

"Não apenas descobrimos que a estrutura 3D leva a nanotexturas topológicas interessantes na magnetização, onde estamos relativamente acostumados a ver tais texturas, mas também no campo de dispersão magnética, que revelou novas configurações de campo em nanoescala interessantes!" disse Donnelly.

"Esta nova capacidade de padronizar o campo magnético nesta escala de comprimento nos permite definir quais forças serão aplicadas aos materiais magnéticos e entender até onde podemos ir com a padronização desses campos magnéticos. Se pudermos controlar essas forças magnéticas em nanoescala, chegamos mais perto de alcançar o mesmo grau de controle que temos em duas dimensões. "

"O resultado é fascinante - as texturas na dupla hélice semelhante ao DNA formam fortes ligações entre as hélices, deformando sua forma como resultado", explicou o autor principal Amalio Fernandez-Pacheco, ex-pesquisador Cavendish, agora trabalhando no Instituto de Nanociência & Materiais de Aragão. "Mas o que é mais emocionante é que em torno dessas ligações formam-se redemoinhos no campo magnético - texturas topológicas!"

Tendo passado de duas para três dimensões em termos de magnetização, agora Donnelly e seus colaboradores do Instituto Paul Scherrer e das Universidades de Glasgow, Zaragoza, Oviedo e Viena explorarão todo o potencial de passar de duas a três dimensões em termos de o campo magnético.

"As perspectivas deste trabalho são múltiplas: essas texturas fortemente unidas nas hélices magnéticas prometem um movimento altamente robusto e podem ser um potencial portador de informações", disse Fernandez-Pacheco. "Ainda mais emocionante é este novo potencial para padronizar o campo magnético em nanoescala, isso pode oferecer novas possibilidades para captura de partículas, técnicas de imagem, bem como materiais inteligentes."