Magnetische energiestrings buigen, wiebelen en verbinden zich weer in een nanomagnetische reeks

Een multi-institutioneel team dat de fysica van collectief gedrag onderzoekt, heeft een model nanomagnetische array ontwikkeld en gemeten waarin het gedrag het best kan worden begrepen als dat van een reeks wiebelende touwtjes. De snaren, die zijn samengesteld uit verbonden punten van hoge energie tussen het rooster, kunnen uitrekken en krimpen, maar ook opnieuw verbinden. Wat deze strings speciaal maakt, is dat ze beperkt zijn tot bepaalde eindpunten en op bepaalde manieren verbinding moeten maken met die eindpunten.

Deze beperkingen op het gedrag van de snaren zijn een voorbeeld van wat natuurkundigen topologisch gedrag noemen, dat verband houdt met een breed scala aan onderwerpen, van de vorm van een donut tot hoe elektronen door bepaalde geavanceerde halfgeleiders reizen.

“Topologische fysica heeft veel recente belangstelling gewekt, vooral in het kwantumdomein”, zegt Cristiano Nisoli, een Los Alamos National Laboratory-onderzoeker en co-auteur van het werk gepubliceerd in Wetenschap. “We hadden al een paar keer aangetoond, theoretisch en experimenteel, dat kenmerken waarvan ooit werd aangenomen dat ze inherent kwantum waren, kunnen worden gereproduceerd door systemen van klassieke op elkaar inwerkende nanomagneten.”

Volgens co-auteur Peter Schiffer, een professor toegepaste natuurkunde aan Yale, “is dit systeem een ​​geval waarin topologisch aangedreven kenmerken verschijnen in een puur klassiek materiaalsysteem – waardoor ze gemakkelijker te bestuderen en te karakteriseren zijn.”

Santa Fe spin-ijs geïnspireerd op bakstenen vloer uit New Mexico

Het werk vindt plaats in de context van een voortdurende samenwerking tussen Nisoli’s groep in de Los Alamos Theoretical Division en het experimentele werk van Schiffer en zijn team aan de Yale University. Vanaf 2006 hadden de twee samen met anderen het idee geïntroduceerd van bottom-up fabricage van “kunstmatige spin-ijs” -structuren gemaakt van op elkaar inwerkende magnetische nano-eilanden. Het team voor deze studie omvatte ook Yale-onderzoekers Xiaoyu Zhang, Grant Fitez, Shayaan Subzwari, Ioan-Augustin Chioar, Hilal Saglam en Nicholas Bingham (nu aan de Universiteit van Maine), evenals Justin Ramberger en Chris Leighton aan de Universiteit van Minnesota. .

“Aanvankelijk concentreerden we ons op eenvoudige geometrieën en modellen, waarbij we soms bestaande natuurlijke materialen nabootsten”, zei Nisoli. “Maar vanaf het begin was het idee ambitieuzer: in plaats van toevallig exotische of nuttige verschijnselen in natuurlijke materialen te vinden, probeerden we kunstmatige te produceren waar nieuwe verschijnselen konden worden ontworpen en gecontroleerd op zeer beheersbare manieren, misschien met het oog op toekomstige functionaliteiten, zoals geheugenopslag of berekening.”

De teams ontwikkelden – eerst theoretisch in Los Alamos, en daarna experimenteel bij Yale en de Advanced Light Source-faciliteit van Berkeley National Laboratory – een geometrie genaamd Santa Fe-spinijs, geïnspireerd op de vormen in een bakstenen vloer in Santa Fe, New Mexico. “Het interessante feit over Santa Fe-spinijs is dat hoewel het is gemaakt van een stel binaire magneten, het ook volledig kan worden beschreven als een reeks doorlopende snaren,” merkte Nisoli op.

In een eerder werk fabriceerden de auteurs het spinijs van Santa Fe en demonstreerden ze het bestaan ​​van deze snaren en hun eigenschappen. In het huidige werk bestudeerden ze hoe de snaren bewegen. Het gebruik van de foto-emissie-elektronenmicroscopie-karakterisering die in Berkeley werd gedaan, was vooral waardevol omdat “het effectief videoclips van de nanomagneten in de ruimte en in de tijd oplevert, zodat we ze konden zien terwijl ze spontaan hun noord- en zuidpool verwisselden”, zei Schiffer van Yale. “De nano-eilanden zijn zo gemaakt dat ze erg dun zijn, slechts een paar nanometer, zodat ze hun polen omdraaien, gewoon omdat ze op eindige temperatuur zijn, in een bekend fenomeen dat superparamagnetisme wordt genoemd.”

Bij hoge temperaturen observeerden de onderzoekers het samenvoegen en opnieuw verbinden van strings, wat resulteerde in de overgang van het systeem tussen topologisch verschillende configuraties. Maar onder een crossover-temperatuur was de snaarbeweging beperkt tot eenvoudige veranderingen in lengte en vorm. Het werk laat dus zien dat er een dynamische cross-over is: onder een bepaalde temperatuur worden die topologisch niet-triviale bewegingen onderdrukt, en blijft alleen het topologisch triviale (wiebelen, uitrekken en samentrekken) over.

Kinetische crossover breekt regels

“Hier hebben we een echt systeem laten zien, kunstmatig gefabriceerd, dat experimenteel een kinetische cross-over demonstreert die de regel van willekeur of ergodiciteit overtreedt, omdat het onder een bepaalde temperatuur de kinetische paden onderdrukt die topologisch niet-triviaal zijn, en beperkt blijft tot een topologische klasse,” zei Nisoli. “Met de metingen die we konden uitvoeren, konden we letterlijk kijken hoe deze snaren op nanoschaal hun bewegingen maken en een onverwachte overgang in gedrag maken.”

“Dit niveau van inzicht is ongebruikelijk voor elk systeem en vormt de basis voor andere topologische studies in de toekomst”, zei Schiffer.