New dimensions in magnetism and superconductivity via 3D nanoprinting with focused electron and ion beams

Decennialang was de wereld van minuscule machines en kwantummaterialen grotendeendeels plat. Wetenschappers hadden de kunst beheerst om ingewikkelde patronen in dunne vellen metaal of silicium te kerven, waardoor circuits en sensoren ontstonden die op een tweedimensionaal vlak leefden. Deze aanpak heeft het moderne tijdperk aangedreven, maar loopt tegen een harde limiet aan: een plat vlak kan niet zoveel doen. Om nieuwe gedragingen te ontsluiten in materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand of magnetische velden genereren, realiseerden onderzoekers zich dat ze de stap naar de derde dimensie moesten zetten. Net zoals een gekreukeld stuk papier andere eigenschappen heeft dan een plat stuk, kunnen materialen die in curven, spiralen en holle buizen zijn gevormd, vreemde en nuttige fysieke kenmerken vertonen die hun platte versies simpelweg niet hebben. De uitdaging is altijd geweest hoe men deze complexe vormen kan bouwen op een schaal die zo klein is dat een menselijke haar erbij zou lijken als een gigantische kabel.

Een nieuw overzichtsartikel brengt recente doorbraken samen in een techniek die deze driedimensionale constructie eindelijk mogelijk maakt. De onderzoekers beschrijven hoe ze gefocuste elektronen- of ionenbundels gebruiken, gestuurd door computersoftware, om functionele materialen direct in de lucht te printen, laag voor laag. In plaats van materiaal weg te kerven uit een solide blok, bouwt deze methode structuren op uit het niets, waarbij atomen één voor één worden afgezet om spiralen, gedraaide stroken en onderling verbonden webben van magnetisch en supergeleidend materiaal te vormen. Het werk laat zien dat door de vorm van deze minuscule structuren met extreme precisie te controleren, wetenschappers nu hun gedrag kunnen afstemmen, wat de deur opent naar een nieuwe generatie apparaten die compacter, efficiënter en in staat zijn tot taken die voorheen onmogelijk waren.

De kern van deze prestatie ligt in een proces dat gefocuste elektronen- of ionenbundel-geïnduceerde depositie wordt genoemd. Stel je een zeer fijne pen voor die geen inkt gebruikt, maar in plaats daarvan een gas spuit dat de atomen bevat die nodig zijn om een structuur te boulen. Wanneer een bundel geladen deeltjes op het gas botst, breekt dit de moleculen af, waardoor het gewenste materiaal achterblijft op het oppervlak. Door deze bundel in een precies patroon te bewegen, kunnen onderzoekers lijnen, curven en zelfs holle buizen in drie dimensies tekenen. Het overzicht benadrukt dat deze techniek kenmerken kan creëren die zo klein zijn als enkele nanometers, wat de juiste grootte is om de fundamentele fysica van magnetische en supergeleidende materialen te beïnvloeden. Op deze schaal doet de vorm van het object er evenveel toe als het materiaal zelf. Een rechte draad gedraagt zich anders dan een gebogen draad, en een holle buis gedraagt zich anders dan een massieve staaf.

De auteurs leggen uit dat door deze materialen in complexe vormen te printen, ze de interne eigenschappen van het materiaal op nieuwe manieren kunnen laten uitlijnen. Voor magnetische materialen, die worden gebruikt in alles van harde schijven tot medische scanners, verandert het buigen van de structuur in een spiraal of een lus de manier waarop het magnetische veld erdoorheen stroomt. Het overzicht beschrijft hoe onderzoekers erin zijn geslaagd kobalt en ijzer in dubbele helicsen en gedraaide stroken te printen. Deze vormen creëren een soort kunstmatige draai in het magnetische veld, waardoor wetenschappers kunnen controleren hoe magnetische informatie door het materiaal beweegt. In sommige gevallen werkt de kromming van de structuur als een verkeerssignaal, dat magnetische golven in de ene richting leidt maar niet in de andere. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe soorten geheugenopslag of logische circuits die veel dichter zijn dan wat momenteel beschikbaar is.

Supergeleiders, materialen die elektriciteit geleiden met nul weerstand, vertonen ook verrassende nieuwe gedragingen wanneer ze in drie dimensies worden geprint. Het overzicht beschrijft hoe onderzoekers deze techniek hebben gebruikt om holle cilinders en spiralen te bouwen van wolfraam-koolstof en niobium-koolstof. Wanneer deze vormen worden afgekoeld tot zeer lage temperaturen, worden ze supergeleidend. Vanwege hun gebogen geometrie wordt de stroom van elektriciteit in hen echter gedwongen om de curve van de wand te volgen. Dit leidt tot unieke effecten, zoals de vorming van minuscule, kolkende stromen die niet in een platte draad zouden bestaan. De onderzoekers ontdekten dat deze gebogen structuren verschillende staten van supergeleiding kunnen huisvesten in verschillende delen van hetzelfde object, afhankelijk van hoe het magnetische veld met de vorm interageert. Dit vermogen om verschillende staten in een enkel, minuscuul apparaat te mengen, is een belangrijke stap naar het creëren van meer geavanceerde kwantumsensoren.

Een van de meest opwindende aspecten van dit werk is de mogelijkheid om deze kleine structuren met elkaar te verbinden in driedimensionale netwerken. In traditionele platte circuits kunnen draden alleen over of onder elkaar heen kruisen, maar in drie dimensies kunnen ze in elkaar gevlochten worden als een mand. Het overzicht wijst erop dat onderzoekers al onderling verbonden webben van magnetische draden hebben geprint die de structuur van spin-ijs nabootsen, een type magnetisch materiaal dat in de natuur voorkomt. Deze netwerken maken de creatie van complexe magnetische texturen mogelijk die stabiel en controleerbaar zijn. Op dezelfde manier maakt het verbinden van draden in een driedimensionaal rooster in supergeleidende circuits de creatie van nieuwe soorten juncties mogelijk waar elektriciteit zonder weerstand kan stromen op manieren die platte circuits niet kunnen bereiken. Dit hoge niveau van connectiviteit is cruciaal voor het bouwen van de volgende generatie computerarchitecturen, die erop gericht zijn informatie te verwerken op manieren die het menselijk brein nabootsen.

Het artikel behandelt ook de praktische kant van deze technologie en merkt op dat hoewel de techniek krachtig is, deze zich nog in een vroeg stadium bevindt. De geproduceerde materialen zijn niet altijd perfect zuiver en bevatten vaak een mengsel van het gewenste metaal en wat koolstof van het gas dat wordt gebruikt om ze te creëren. De onderzoekers laten echter zien dat deze structuren, zelfs met deze onzuiverheden, nog steeds functioneren als magnetische of supergeleidende materialen. Ze bespreken ook de uitdagingen van het snel en reproduceerbaar printen van deze vormen, aangezien het proces momenteel traag is en zorgvuldige kalibratie vereist om ervoor te zorgen dat de uiteindelijke vorm overeenkomt met het computerontwerp. Ondanks deze hindernissen benadrukt het overzicht dat het vermogen om functionele materialen direct in drie dimensies te schrijven een game-changer is. Het stelt wetenschappers in staat om ideeën over hoe geometrie de fysica beïnvloedt te testen op een manier die voorheen onmogelijk was, waardoor ze van theoretische voorspellingen overgaan naar echte, tastbare objecten.

Met het oog op de toekomst suggereren de auteurs dat de volgende stap is om het bereik van de materialen die geprint kunnen worden uit te breiden en de zuiverheid van de deponeringen te verbeteren. Ze voorzien een toekomst waarin deze techniek wordt gebruikt om hybride apparaten te bouwen die magnetische en supergeleidende eigenschappen combineren in één enkele, complexe vorm. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe soorten sensoren die ongelooflijk gevoelig zijn voor magnetische velden of apparaten die kwantumtoestanden kunnen manipuleren voor computing. Het overzicht concludeert dat door de kunst van driedimensionaal nanoprinten te beheersen, wetenschappers niet alleen kleinere versies van bestaande apparaten maken, maar geheel nieuwe soorten materie creëren met eigenschappen die evenzeer worden bepaald door hun vorm als door hun samenstelling. Deze verschuiving van plat naar driedimensionaal ontwerp vertegenwoordigt een fundamentele verandering in hoe we de nanoschaal benaderen, en belooft een toekomst waarin de geometrie van een apparaat net zo belangrijk is als het materiaal waarvan het gemaakt is.