通過打造有史以來第一個被稱作“旋轉(zhuǎn)冰”的材料的 3D 復(fù)制品，科學(xué)家們已經(jīng)朝著利用磁荷的強(qiáng)大設(shè)備又更近了一步。在今日發(fā)表于《自然通訊》期刊上的一項新研究中，由卡迪夫大學(xué)科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的一支研究團(tuán)隊，就憑借復(fù)雜的 3D 打印和處理方法，制成了世界上首個旋轉(zhuǎn)冰材料的 3D 復(fù)制品。

（圖自：Cardiff University）

SCI Tech Daily 指出，旋冰（spin-ice）材料的特殊之處，在于其具有所謂的單極磁體缺陷 —— 但它在自然界中并不存在。據(jù)悉，當(dāng)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(xué)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(xué)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(chuàng)造出二維的自旋冰材料，物理學(xué)家們已設(shè)法在近年制作出了人造版本的磁單極子。但迄今為止，當(dāng)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(jié)構(gòu)，是其創(chuàng)造模仿磁單極子的微小結(jié)構(gòu)的非凡能力的最關(guān)鍵之處。

研究配圖 - 2：3DASI 中的飽和狀態(tài)成像

研究團(tuán)隊稱，在 3D 打印技術(shù)的加持下，他們得以定制人造自旋冰的幾何形狀，意味著他們能夠控制磁單極子的形成方式、及其在系統(tǒng)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(xué)界開辟出大量的新應(yīng)用 —— 從增強(qiáng)計算機(jī)存儲、到創(chuàng)建模擬人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的 3D 計算網(wǎng)絡(luò)。

研究配圖 - 3：單極激發(fā)的辨別

研究一作、卡迪夫大學(xué)物理與天文學(xué)院的 Sam Ladak 博士指出，這是首次有人通過人工設(shè)計，在納米尺度上打造自旋冰的精確 3D 復(fù)制品。

“在持續(xù)了十多年的研究之后，科學(xué)家們已經(jīng)將此類系統(tǒng)擴(kuò)展到三個維度，從而讓我們可以更準(zhǔn)確地描繪自旋冰單極子的物理性質(zhì)、并研究其表面的影響”。

研究配圖 - 4：3D 人造自旋冰系統(tǒng)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(jìn)的 3D 納米制造技術(shù)。其中微小的納米線，以晶格形式堆疊出了四層結(jié)構(gòu)，而其本身的總寬度，仍小于人類的頭發(fā)絲直徑。

之后，科學(xué)家使用了一種對磁性相當(dāng)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(tuán)隊能夠追蹤單極磁體在 3D 結(jié)構(gòu)上的運動。

研究配圖 - 5：模擬 3D 人造自旋冰上的單極動力學(xué)示意

Sam Ladak 博士補(bǔ)充道，其工作的重要性，在于表明了納米級 3D 打印技術(shù)可用于模擬此前需要化學(xué)合成才能制造的材料。

最終，這項工作有望衍生出一種生產(chǎn)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(diào)節(jié)材料的相關(guān)特性。

研究配圖 - 6：3DASI 晶格上的磁荷能量圖譜

舉個例子，當(dāng)前的機(jī)械硬盤/ 磁性隨機(jī)存儲裝置只能應(yīng)用 3D 維度中的 2D 結(jié)構(gòu)，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(shè)備。