Nici energii magnetycznej wydają się wyginać, wibrować i ponownie łączyć

Sfrustrowane układy magnetyczne, takie jak lód wirowy, mają stan podstawowy, w którym każdy obrót ma mniej energii. To niezadowolenie można dostrzec po konfiguracjach momentu magnetycznego na wierzchołkach układu magnetycznego w geometrii sztucznego lodu wirowego znanego jako lód Santa Fe. Topologia systemu może ograniczać kinetykę ergodyczną, która ma kluczowe znaczenie dla termodynamiki równowagi.

Wieloinstytucjonalny zespół badający fizykę zachowań zbiorowych stworzył i zmierzył macierz modelu nanomagnetycznego z zachowaniem, które najlepiej można opisać jako serię oscylujących strun. Wątki, złożone z połączonych, wysokoenergetycznych punktów w sieci, mogą się rozszerzać i kurczyć, ale mogą też ponownie się łączyć. Wątki mogą łączyć się tylko z określonymi punktami końcowymi i muszą łączyć się z nimi w określony sposób.

Te ograniczenia zachowania strun wyjaśniają to, co fizycy nazywają zachowaniem topologicznym, które jest związane z różnymi tematami, od kształtu pączka po sposób poruszania się elektronów w niektórych najnowocześniejszych półprzewodnikach.

Cristiano Nisoli jest badaczem w Los Alamos National Laboratory PowiedziałI Fizyka topologiczna wzbudziła ostatnio duże zainteresowanie, głównie w dziedzinie kwantowej. Pokazaliśmy już wiele razy, teoretycznie i eksperymentalnie, że cechy, które wcześniej uważano za kwantowe, można odtworzyć za pomocą klasycznych oddziałujących systemów nanomagnesów”.

Według współautora Yale, profesora fizyki stosowanej Petera Schaefera, powiedział: „Ten system jest przykładem, w którym cechy oparte na topologii pojawiają się w czysto klasycznym systemie materii – co ułatwia ich badanie i charakteryzację”.

Praca jest częścią trwającego partnerstwa między Schaeferem a eksperymentalnymi pracami jego zespołu w Yale i grupy Nisoli w Departamencie Teoretycznym Los Alamos. Począwszy od 2006 roku, obaj wprowadzili koncepcję formacji „sztucznego lodu wirowego” składających się z magnetycznych nano-wysp oddziałujących od dołu do góry.

Powiedział, „Na początku skupialiśmy się na prostych geometriach i wzorach, czasami naśladując istniejące naturalne materiały, ale od samego początku pomysł był bardziej ambitny: zamiast znajdować dziwne lub użyteczne zjawiska w naturalnych materiałach, staraliśmy się wytworzyć sztuczne zjawiska, w których nowe zjawiska można je modelować i weryfikować w wysoce kontrolowany sposób, być może biorąc pod uwagę przyszłe funkcje, takie jak przechowywanie pamięci lub obliczenia”.

Zespoły opracowały geometrię Santa Fe Ice, inspirowaną kształtami ceglanej podłogi w Santa Fe w Nowym Meksyku. Naukowcy zaobserwowali, że struny łączą się i ponownie łączą w wysokich temperaturach, przełączając system między topologicznie unikalnymi strukturami.

Badacz powiedział: „Ciekawym faktem na temat lodu Santa Fe jest to, że chociaż składa się z wiązki binarnych magnesów, można go również opisać jako wiązkę ciągłych strun”.

Autorzy wcześniej stworzyli spinnery Santa Fe i wykazali istnienie i zachowanie tych ścięgien. Badali, w jaki sposób ścięgna przemieszczają się w niniejszej pracy. Korzystając z fotoemisyjnej mikroskopii elektronowej przeprowadzonej w Berkeley, Schaefer z Yale University powiedział: „Skutecznie zapewnia filmy nanomagnesów w przestrzeni i czasie, dzięki czemu możemy obserwować, jak automatycznie zmieniają swoje bieguny północne i południowe. Nanowyspy są tak cienkie, zaledwie kilka nanometrów, że odwracają bieguny, gdy są w skończonej temperaturze, w zjawisku znanym jako superparamagnetyzm”.

Tak, jak powiedział. „Dzięki pomiarom, które byliśmy w stanie wykonać, byliśmy w stanie obserwować, jak te struny w nanoskali przechodzą przez swoje ruchy i powodują nieoczekiwaną zmianę w zachowaniu”.

Jednak ruch ścięgien był ograniczony do prostych zmian długości i kształtu w określonej temperaturze. Ten artykuł pokazuje dynamiczne skrzyżowanie: poniżej pewnej temperatury topologicznie nietrywialne ruchy są tłumione, pozostawiając tylko topologicznie trywialne ruchy (oscylacja, rozciąganie, kurczenie).

Shafer powiedział, „Ten poziom wglądu jest niezwykły dla każdego systemu i przygotowuje grunt pod inne badania topologiczne w przyszłości”.

Odniesienie do czasopisma:

1. Zhang, X., Fitez, G., Subzwari, Włochy. Topologiczny przesłuch kinetyczny w układzie nanomagnetycznym. Nauki. 10.1126/sciences.add6575