Ein multiinstitutionelles Team, das die Physik des kollektiven Verhaltens erforscht, hat ein nanomagnetisches Modell-Array entwickelt und gemessen, in dem das Verhalten am besten als das einer Reihe wackelnder Saiten verstanden werden kann. Die Saiten, die aus verbundenen Punkten hoher Energie innerhalb des Gitters bestehen, können sich dehnen und schrumpfen, sich aber auch wieder verbinden. Das Besondere an diesen Zeichenfolgen ist, dass sie auf bestimmte Endpunkte beschränkt sind und auf bestimmte Weise mit diesen Endpunkten verbunden werden müssen.
Diese Einschränkungen des Verhaltens der Saiten sind ein Beispiel für das, was Physiker als topologisches Verhalten bezeichnen, das mit einer Vielzahl von Themen zusammenhängt, von der Form eines Donuts bis hin zur Art und Weise, wie Elektronen durch bestimmte hochmoderne Halbleiter wandern.
„Die topologische Physik hat in letzter Zeit viel Interesse geweckt, hauptsächlich im Quantenbereich“, sagte Cristiano Nisoli, ein Forscher des Los Alamos National Laboratory und Mitautor der in veröffentlichten Arbeit Wissenschaft. „Wir hatten bereits einige Male theoretisch und experimentell gezeigt, dass Merkmale, von denen einst angenommen wurde, dass sie inhärent Quanten sind, durch Systeme klassischer wechselwirkender Nanomagnete reproduziert werden können.“
Laut Co-Autor Peter Schiffer, einem Yale-Professor für angewandte Physik, „ist dieses System ein Fall, in dem topologisch gesteuerte Merkmale in einem rein klassischen Materialsystem auftreten – das macht es einfacher, sie zu untersuchen und zu charakterisieren.“
Santa Fe Spin-Eis, inspiriert vom Ziegelboden aus New Mexico
Die Arbeit steht im Kontext einer laufenden Zusammenarbeit zwischen Nisolis Gruppe in der Los Alamos Theoretical Division und der experimentellen Arbeit von Schiffer und seinem Team an der Yale University. Ab 2006 hatten die beiden zusammen mit anderen die Idee der Bottom-up-Fertigung von „künstlichen Spineis“-Strukturen aus interagierenden magnetischen Nanoinseln eingeführt. Zum Team dieser Studie gehörten auch die Yale-Forscher Xiaoyu Zhang, Grant Fitez, Shayaan Subzwari, Ioan-Augustin Chioar, Hilal Saglam und Nicholas Bingham (jetzt an der University of Maine) sowie Justin Ramberger und Chris Leighton an der University of Minnesota .
„Anfangs konzentrierten wir uns auf einfache Geometrien und Modelle und ahmten manchmal vorhandene natürliche Materialien nach“, sagte Nisoli. „Aber von Anfang an war die Idee ehrgeiziger: Anstatt zufällig exotische oder nützliche Phänomene in natürlichen Materialien zu finden, versuchten wir, künstliche zu produzieren, in denen neue Phänomene entworfen und auf hochgradig kontrollierbare Weise überprüft werden konnten, vielleicht im Hinblick auf die Zukunft Funktionalitäten wie Speicher oder Berechnung.“
Die Teams entwickelten – zuerst theoretisch in Los Alamos und dann experimentell in Yale und der Advanced Light Source-Einrichtung des Berkeley National Laboratory – eine Geometrie namens Santa Fe Spin Ice, inspiriert von den Formen eines Ziegelbodens in Santa Fe, New Mexico. „Die interessante Tatsache über das Spin-Eis von Santa Fe ist, dass es, obwohl es aus einem Haufen binärer Magnete besteht, auch vollständig als ein Satz fortlaufender Saiten beschrieben werden kann“, bemerkte Nisoli.
In einer früheren Arbeit stellten die Autoren das Spin-Eis von Santa Fe her und demonstrierten die Existenz dieser Fäden und ihre Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit untersuchten sie, wie sich die Saiten bewegen. Die Verwendung der in Berkeley durchgeführten Charakterisierung durch Photoemissionselektronenmikroskopie war insofern besonders wertvoll, als „sie effektiv Videoclips der Nanomagnete im Raum und in der Zeit liefert, sodass wir sie beobachten konnten, wie sie spontan ihren Nord- und Südpol wechselten“, sagte Schiffer von Yale. „Die Nanoinseln werden so hergestellt, dass sie sehr dünn sind, nur wenige Nanometer, so dass sie ihre Pole bei endlicher Temperatur in einem bekannten Phänomen namens Superparamagnetismus umdrehen.“
Bei hohen Temperaturen beobachteten die Forscher das Zusammenführen und Wiederverbinden von Strings, was dazu führte, dass das System zwischen topologisch unterschiedlichen Konfigurationen wechselte. Aber unterhalb einer Übergangstemperatur war die Saitenbewegung auf einfache Längen- und Formänderungen beschränkt. Daher zeigt die Arbeit, dass es einen dynamischen Übergang gibt: Unterhalb einer bestimmten Temperatur werden diese topologisch nicht trivialen Bewegungen unterdrückt, und nur die topologisch trivialen (Wackeln, Ausdehnen und Zusammenziehen) bleiben übrig.
Kinetic Crossover bricht Regeln
„Hier haben wir ein reales, künstlich hergestelltes System gezeigt, das experimentell eine kinetische Überkreuzung demonstriert, die die Regel der Zufälligkeit oder Ergodizität bricht, weil es unterhalb einer bestimmten Temperatur die kinetischen Bahnen unterdrückt, die topologisch nicht trivial sind, und auf die es beschränkt bleibt eine topologische Klasse“, sagte Nisoli. „Mit den Messungen, die wir durchführen konnten, konnten wir buchstäblich beobachten, wie diese Nanosaiten ihre Bewegungen durchlaufen und einen unerwarteten Verhaltenswechsel vollziehen.“
„Dieses Maß an Einsicht ist für jedes System ungewöhnlich und bereitet die Voraussetzungen für weitere topologische Studien in der Zukunft“, sagte Schiffer.
Mehr Informationen:
Xiaoyu Zhang et al, Topological kinetic crossover in a nanomagnet array, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.add6575