Нити магнитной энергии изгибаются, вибрируют и воссоединяются.

Фрустрированные магнитные системы, такие как спиновой лед, имеют основное состояние, в котором каждый спин имеет меньшую энергию. Это неудовлетворение можно увидеть по конфигурациям магнитного момента в вершинах магнитной решетки в геометрии искусственного спинового льда, известной как лед Санта-Фе. Топология системы может ограничивать эргодическую кинетику, что имеет решающее значение для равновесной термодинамики.

Многопрофильная группа, изучающая физику коллективного поведения, создала и измерила матрицу наномагнитной модели, поведение которой лучше всего описать как серию колеблющихся струн. Потоки, состоящие из связанных высокоэнергетических точек внутри сети, могут расширяться и сжиматься, но они также могут соединяться повторно. Потоки могут подключаться только к определенным конечным точкам и должны подключаться к ним определенным образом.

Эти ограничения на поведение струн объясняют то, что физики называют топологическим поведением, которое связано с множеством тем, от формы бублика до того, как электроны движутся через некоторые передовые полупроводники.

Кристиано Нисоли, научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории. Он сказалИ В последнее время большой интерес вызывает топологическая физика, в основном в квантовой области. Мы уже много раз показывали теоретически и экспериментально, что свойства, ранее считавшиеся квантовыми по своей природе, могут быть воспроизведены классическими взаимодействующими наномагнитными системами».

По словам соавтора Йельского университета, профессора прикладной физики Питера Шефера, он сказал: «Эта система является примером того, как топологические особенности проявляются в чисто классической системе материи, что облегчает их изучение и описание».

Работа является частью продолжающегося партнерства между Шефером и экспериментальной работой его команды в Йельском университете и группы Нисоли в Теоретическом отделе Лос-Аламоса. Начиная с 2006 года, они представили концепцию образований «искусственного спинового льда», состоящего из магнитных наноостровков, взаимодействующих снизу вверх.

Он сказал, «Вначале мы сосредоточились на простых геометрических формах и узорах, иногда имитируя существующие природные материалы, но с самого начала идея была более амбициозной: вместо того, чтобы находить странные или полезные явления в природных материалах, мы стремились создавать искусственные явления, в которых новые явления их можно смоделировать и проверить с высокой степенью контроля, возможно, с учетом будущих функций, таких как хранение в памяти или вычисления».

Команды разработали геометрию льда Санта-Фе, вдохновленную формами кирпичного пола в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Исследователи заметили, что струны сливаются и воссоединяются при высоких температурах, переключая систему между топологически уникальными структурами.

Исследователь сказал: «Интересный факт о льде Санта-Фе заключается в том, что, хотя он состоит из набора бинарных магнитов, его также можно описать как набор непрерывных струн».

Ранее авторы создали блесны Santa Fe и продемонстрировали существование и поведение этих сухожилий. В настоящей работе они исследовали, как перемещаются сухожилия. Используя фотоэмиссионную электронную микроскопию, проведенную в Беркли, Шефер из Йельского университета сказал: «Он эффективно обеспечивает видео наномагнитов в пространстве и времени, так что мы можем наблюдать за тем, как они автоматически меняют свой северный и южный полюса. Наноострова сделаны настолько тонкими, всего несколько нанометров, что они меняют свои полюса, как только они при конечной температуре в явлении, известном как суперпарамагнетизм».

Как он сказал. «Благодаря измерениям, которые мы смогли провести, мы смогли наблюдать, как эти струны в наномасштабе совершают свои движения и вызывают неожиданные изменения в поведении».

Однако движение сухожилий ограничивалось простым изменением длины и формы при определенной температуре. В этой статье демонстрируется динамический кроссовер: ниже определенной температуры топологически нетривиальные движения подавляются, остаются только топологически тривиальные движения (колебания, растяжения, сжатия).

Шафер сказал, «Этот уровень понимания необычен для любой системы и готовит почву для других топологических исследований в будущем».

Ссылка на журнал:

1. Чжан X., Фитез Г., Субзвари Итал. Топологические кинетические перекрестные помехи в наномагнитном массиве. наук. 10.1126/науки.add6575