Datblygiad allweddol ym maes nanostrwythurau magnetig 3D yn gallu trawsnewid dulliau cyfrifiadura modern

Mae gwyddonwyr wedi mynd ati i greu dyfeisiau pwerus sy'n harneisio gwefr fagnetig drwy greu'r replica 3D cyntaf erioed o ddeunydd o’r enw ‘sbin-grisial’.

Mae deunyddiau sbin-grisial yn hynod anghyffredin am fod iddynt ddiffygion, fel y’u gelwir, sy’n gweithredu fel unig bôl magnet.

Nid yw'r magnetau hyn ag un pôl, a elwir hefyd yn fonopolau magnetig, yn bodoli yn y byd naturiol; pan fydd unrhyw ddeunydd magnetig yn cael ei dorri'n ddau ddarn, bydd bob amser yn creu magnet newydd â phôl gogledd a phôl de.

Mae gwyddonwyr ers degawdau wedi bod yn chwilio ym mhobman am dystiolaeth bod monopolau magnetig yn bodoli yn y byd naturiol yn y gobaith o briodoli theori popeth, fel y’i gelwir, i rymoedd sylfaenol natur o’r diwedd. Bydd hyn yn dod â holl feysydd ffiseg at ei gilydd o dan un to.

Fodd bynnag, yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae ffisegwyr wedi llwyddo i gynhyrchu fersiynau artiffisial o fonopol magnetig drwy greu deunyddiau sbin-grisial 2D.

Hyd heddiw, mae'r strwythurau hyn wedi dangos monopol magnetig yn llwyddiannus, ond mae'n amhosibl gweld yr un ffiseg pan fydd y deunydd wedi'i gyfyngu i un plân. Yn wir, geometreg 3D

benodol latis y sbin-grisial sy’n allweddol i’w allu anghyffredin i greu strwythurau bach sy’n dynwared monopolau magnetig.

Mewn astudiaeth newydd a gyhoeddwyd heddiw yn Nature Communications, mae tîm dan arweiniad gwyddonwyr ym Mhrifysgol Caerdydd wedi creu’r replica 3D cyntaf erioed o ddeunydd sbin-grisial drwy ddefnyddio proses argraffu 3D a phrosesu soffistigedig.

Dywed aelodau’r tîm fod y dechnoleg argraffu 3D wedi’u galluogi i deilwra geometreg y sbin-grisial artiffisial, sy’n golygu y gallant reoli sut mae’r monopolau magnetig yn cael eu ffurfio a sut maent yn symud o gwmpas yn y systemau.

Yn ôl aelodau’r tîm, gallai bod â’r gallu i drin y monopolau magnetig bach mewn 3D arwain at greu llu o gymwysiadau, o ddyfeisiau storio cyfrifiadurol gwell i rwydweithiau cyfrifiadura 3D sy’n dynwared strwythur naturiol yr ymennydd dynol.

“Ers mwy na 10 mlynedd, mae gwyddonwyr wedi bod yn creu ac yn astudio deunydd sbin-grisial artiffisial mewn 2D. Drwy weld systemau o’r fath mewn 3D, mae gennym ddarlun llawer mwy cywir o ffiseg monopolau sbin-grisial, ac rydym yn gallu astudio effaith arwynebau,” meddai’r prif awdur Dr Sam Ladak o Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth Prifysgol Caerdydd.

“Dyma’r tro cyntaf i unrhyw un greu replica 3D union gywir o sbin-grisial, drwy ddylunio, ar raddfa nano.”

Cafodd y sbin-grisial artiffisial ei greu drwy ddefnyddio technegau nanoffabrigo 3D o’r radd flaenaf, lle cafodd nanowifrau bach eu stacio o fewn strwythur latis i greu pedair haen a oedd, ar y cyfan, yn mesur llai na lled blewyn dynol.

Ar ôl hynny, cafodd math arbennig o ficrosgopeg o’r enw microsgopeg grym magnetig (sy’n sensitif i fagnetedd) ei ddefnyddio er mwyn gweld y gwefrau magnetig a oedd yn bresennol ar y ddyfais. Gwnaeth hyn alluogi’r tîm i dracio symudiadau’r monopolau magnetig ar draws y strwythur 3D.

“Mae ein gwaith yn bwysig, gan ei fod yn dangos y gellir defnyddio technolegau argraffu 3D ar raddfa nano i ddynwared deunyddiau sydd fel arfer yn cael eu syntheseiddio drwy gemeg,” parhaodd Dr Ladak.

“Yn y pen draw, gallai’r gwaith hwn fod yn fodd i gynhyrchu metaddeunyddiau magnetig newydd, lle mae nodweddion y deunydd yn cael eu tiwnio drwy reoli geometreg 3D latis artiffisial.

“Mae dyfeisiau storio magnetig, fel gyriannau caled a dyfeisiau cof hapgyrchu magnetig, yn bethau eraill y gallai'r datblygiad allweddol hwn effeithio’n fawr arnynt. Gan mai dim ond dau allan o'r tri dimensiwn sydd ar gael y mae dyfeisiau heddiw yn eu defnyddio, mae hyn yn cyfyngu ar faint o wybodaeth y gellir ei storio. Gan y gellir symud y monopolau o amgylch y latis 3D drwy ddefnyddio maes magnetig, efallai y bydd modd creu dyfais storio 3D gwirioneddol yn seiliedig ar wefr fagnetig.”

Cafodd yr astudiaeth ei harwain gan Brifysgol Caerdydd, a gwnaeth gynnwys ymchwilwyr o labordy cenedlaethol Los Alamos.