磁性拖链弯曲、摆动和重新连接

一个探索集体行为物理学的多机构团队开发并测量了一个纳米磁阵列模型，通过该模型可以更好地将行为理解为振动弦的集合。 由网络之间连接的高能量点组成的线程可以扩展和收缩，但也可以重新连接。 这些链的特殊之处在于它们仅限于某些端点并且必须以特定方式连接到这些端点。 这些对弦行为的约束是物理学家所说的拓扑行为的一个例子，拓扑行为涉及范围广泛的主题，从甜甜圈的形状到电子如何穿过一些尖端半导体。

“拓扑物理学最近引起了很多兴趣，主要是在量子领域，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员和该工作的合著者克里斯蒂亚诺尼索利说。 “我们已经在理论上和实验上多次证明，以前认为本质上是量子的特征可以通过经典的相互作用纳米磁体系统再现。”

据合著者、耶鲁大学应用物理学教授彼得·希弗 (Peter Schiffer) 说，“该系统是一个示例，其中拓扑支持的特征出现在纯经典物质系统中——使它们更容易研究和表征。”

圣诞老人在雪地里旋转，灵感来自新墨西哥州的砖地板

这项工作是在洛斯阿拉莫斯系的 Nisoli 小组与 Schaefer 及其在耶鲁大学的团队的实验工作之间持续合作的背景下进行的。 从 2006 年开始，两人与其他人一起引入了自下而上制造由相互作用的磁性纳米岛构成的“人造自旋冰”结构的想法。 这项研究的团队还包括耶鲁大学的研究人员 Xiaoyu Zhang、Grant Fitez、Shayaan Subzwari、Ioan-Augustin Chioar、Hilal Saglam 和 Nicholas Bingham（现就职于缅因大学），以及来自缅因大学的 Justin Ramberger 和 Chris Leighton明尼苏达州。 .

“一开始，我们专注于简单的几何形状和图案，有时模仿现有的天然材料，”Nisoli 说。 “但从一开始，这个想法就雄心勃勃得多：我们不是在自然材料中偶然发现奇怪或有用的现象，而是试图产生合成现象，在这种合成现象中，可以对新现象进行建模，并以高度可控的方式进行研究，也许是根据未来功能，例如内存存储或计算。

这些团队——首先在洛斯阿拉莫斯进行理论上的研究，然后在耶鲁大学和伯克利国家实验室的先进光源设施进行实验——开发了一种名为圣达菲自旋冰的几何形状，其灵感来自于新墨西哥州圣达菲砖地板上发现的形状。 “关于 Santa Fe ice 的有趣事实是，虽然它是由一组二元磁铁制成的，但它也可以完全描述为一组连续的弦，”Nisoli 指出。

在之前的工作中，作者制作了圣达菲冰并展示了这些肌腱的存在和特性。 在目前的工作中，他们研究了肌腱是如何运动的。 耶鲁大学的 Schaefer 说，使用在伯克利完成的光学发射电子显微镜表征特别有价值，因为它“有效地提供了纳米磁体在空间和时间上的视频，因此我们可以在它们自动切换北极和南极时观察它们”。 “纳米岛被制造得非常薄，只有几纳米，一旦它们处于有限的温度下，它们就会翻转它们的两极，这是一种众所周知的超顺磁性现象。”

在高温下，研究人员观察到链合并和重新连接，导致不同拓扑配置之间的系统转换。 但在交叉温度以下，肌腱的运动仅限于长度和形状的简单变化。 因此，该工作表明存在动态交叉：在一定温度下，那些拓扑上的非平凡运动被抑制，只剩下拓扑上平凡的（振荡、膨胀和收缩）。

动能十字准线打破规则

“在这里，我们展示了一个真实的人工系统，该系统通过实验证明了一种打破随机性或遍历性规则的动力学交叉，因为在一定温度以下，它会抑制非拓扑的动力学途径，并且仍然局限于拓扑途径，” Nisoli 说：“通过我们可以进行的测量，我们能够从字面上观察这些纳米级弦的运动并做出意想不到的行为转变。”

“这种洞察力对于任何系统来说都是不寻常的，并为未来的其他拓扑研究奠定了基础，”谢弗说。

纸: 纳米磁矩阵中的拓扑动力学交叉，科学 (DOI TBD)

融资耶鲁大学的工作由美国能源部、基础能源科学办公室、材料科学与工程系资助。 这项研究使用的资源来自美国能源部科学办公室的用户设施 Advanced Light Source。 明尼苏达大学的工作得到了国家科学基金会的支持。 洛斯阿拉莫斯国家实验室的工作得到了能源部和实验室指导研发的支持。