Выводы исследовательской группы опубликованы в номере журнала Nature от 29 августа.Уникальные свойства материалов спинового льда очаровали ученых с тех пор, как они были впервые обнаружены в конце 1990-х годов в природных редкоземельных титанитах. Материал назван точно: очень сложное упорядочение наноразмерных магнитов в спиновом льде подчиняется тем же правилам, которые определяют позиционное упорядочение атомов водорода и кислорода в замороженном водяном льду. У обоих есть «вращение» — степени свободы — с фрустрированными взаимодействиями, которые предотвращают полное замерзание даже при абсолютном нуле.
В 2006 году междисциплинарная группа физиков и материаловедов разработала первый искусственный спиновой лед, двумерный массив магнитных наноостровков, которые созданы для взаимодействия сложным образом, в зависимости от выбранной конструкции массива. Островки были литографически напечатаны на подложке, расположенной в форме квадратной решетки, при этом северный и южный полюса каждого наномагнита пересекались и взаимодействовали в своих четырехугольных вершинах.
Теперь та же исследовательская группа разработала новый протокол отжига, который позволяет реализовать весь потенциал искусственного материала для очень сложных магнитных взаимодействий. Новый протокол был применен к двум материалам искусственного льда, один из которых имеет структуру квадратной решетки, а другой — гексагонально-сотовую структуру с трехзубыми вершинами.
В сотовой структуре, где пересекаются три магнитных полюса, в каждой вершине принудительно устанавливается общий заряд севера или юга. Магнитный «монопольный заряд» в каждой вершине влияет на магнитный «заряд» окружающих вершин. Команда смогла изобразить кристаллическую структуру магнитных зарядов с помощью магнитно-силовой микроскопии.
«Наномагнетики настолько малы, что их поведение становится относительно простым. Мы можем расположить магниты по определенной решетке — квадратной или сотовой — и они взаимодействуют таким образом, что мы можем предсказывать и контролировать», — пояснил Шиффер. «Задача — вы должны заставить наномагниты перевернуть свои северный и южный полюса, чтобы показать, как они взаимодействуют.
Трудно заставить их показать эффекты взаимодействия, поскольку они застревают в одном конкретном расположении».Новый протокол отжига исследовательской группы — нагрев материала до высокой температуры, при которой их магнитная полярность подавляется (здесь около 550 градусов Цельсия) — позволяет наномагнетикам менять полярность и свободно взаимодействовать. По мере охлаждения материала наномагнетики упорядочиваются в соответствии с взаимодействиями их полюсов в вершинах.Коллективное тепловое поведение массивов изучается с помощью статистической механики, раздела фундаментальной физики.
Согласно теории, монопольный заряд каждой вершины вносит вклад в порядок всей системы аналогично взаимодействиям электрических зарядов на атомном уровне во время роста кристаллов водяного льда.Штатный научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории Кристиано Нисоли объяснил: «Возникновение магнитных монополей в системах со спиновым льдом является частным случаем того, что физики называют фракционированием или деконфайнментом квазичастиц, которые вместе рассматриваются как составляющие фундаментальную единицу системы. в данном случае северный и южный полюса наномагнита.
Мы видели, как расположение магнитов в виде сот позволяет этим зарядам быть своего рода «отделенными» от магнитных островов, которым они принадлежат, и стать соответствующими степенями свободы ».Возможность использовать магнитные заряды в качестве степеней свободы имеет значение для будущих технологических приложений.«Магнитная технология обычно занимается манипулированием локализованными диполярными степенями свободы», — сказал Нисоли. «Возможность строительных материалов, содержащих делокализованные монополярные заряды, очень интересна с возможными технологическими последствиями для хранения данных и вычислений».Преимущество искусственного спинового льда заключается в том, что он может быть спроектирован в различных топологиях и впоследствии исследован, чтобы увидеть влияние этих топологий.
Это позволяет физикам исследовать широкий спектр возможных вариантов поведения, недоступных в природных кристаллах.«Эта работа демонстрирует направление в физике конденсированного состояния, которое совершенно противоположно тому, что было сделано в последние шестьдесят десятилетий или около того», — сказал Нисоли. «Вместо того, чтобы воображать возникающее теоретическое описание для моделирования поведения заданного природой материала и косвенно подтверждать его, мы конструируем материалы с желаемыми возникающими свойствами, которые можно визуализировать напрямую».
Теоретическая работа для этого исследования была выполнена в Лос-Аламосской национальной лаборатории под руководством Криштиану Нисоли и Джиа-Вей Черн и в Государственном университете Пенсильвании под руководством Винсента Креспи и Пола Ламмерта. Синтез магнитных материалов и высокотемпературная обработка проводились на факультете химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты под руководством Криса Лейтона.
Магнитные измерения и литография были выполнены в Университете штата Пенсильвания и в Лаборатории исследования материалов имени Фредерика Зейтца при Университете штата Иллинойс аспирантами Шен Чжаном и Яном Гилбертом под руководством Питера Шиффера.Это исследование было поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.