Cercetătorii au creat un „anti-spin ice” folosind particule care se atrag
O echipă de cercetători a realizat experimental un „anti-spin ice”, un sistem care face opusul ghețurilor de spin convenționale, încălcând regula gheții care le guvernează. Rezultatele au fost publicate în Nature Communications.
Ghețurile de spin sunt sisteme magnetice care imită o regulă întâlnită în gheața de apă, unde fiecare atom de oxigen ține doi atomi de hidrogen aproape și doi mai departe. Pentru că multe aranjamente satisfac această regulă la fel de bine, structura rămâne dezordonată, fără un tipar repetitiv. Fenomenul este un semn al frustrării geometrice, care apare atunci când interacțiunile concurente dintr-un sistem nu pot fi satisfăcute simultan.
Cercetătorii au recreat acest comportament în sisteme proiectate numite ghețuri artificiale de spin, construite din rețele de magneți minusculi sau de particule microscopice numite coloizi. În ghețurile coloidale, fiecare particulă stă într-un mic șanț, sau puț, legând două noduri ale rețelei și comportându-se ca o săgeată care indică spre un nod și se îndepărtează de celălalt. Diferența dintre numărul de particule apropiate și cele îndepărtate de un nod dă sarcina topologică a acestuia. Cu particule care se resping, aranjamentul de energie minimă menține fiecare nod cât mai echilibrat posibil, ceea ce reprezintă versiunea coloidală a regulii gheții.
În noul studiu, cercetătorii au inversat această interacțiune. „Într-un anti-spin ice, sistemul caută să maximizeze, nu să minimizeze, sarcinile topologice locale”, a explicat Pietro Tierno de la Universitatea din Barcelona, coautor al studiului. Pe o rețea pătrată, un nod cu toate patru particulele apropiate ar avea o sarcină pozitivă mare de +4, iar unul cu toate patru îndepărtate o sarcină de −4, configurații interzise de regula gheții.
Pentru a obține atracția, echipa a folosit particule de polistiren cu granule de oxid de fier, cu diametrul de 2,8 micrometri, plasate într-o rețea pentaheptită formată din bucle cu cinci și șapte laturi. Un câmp magnetic care se rotește rapid în planul suprafeței face ca fiecare pereche de particule să alterneze între atracție și respingere, iar atracția cap la cap, de aproximativ două ori mai puternică decât respingerea laterală, produce o atracție netă uniformă în toate direcțiile.
Simulările pe rețele pătrate și hexagonale au arătat că, pe măsură ce atracția crește, nodurile echilibrate de regula gheții dispar și sunt înlocuite de noduri cu toate particulele apropiate sau toate îndepărtate, alternând ca pe o tablă de șah. „Cristalizarea sarcinilor este o stare în care sarcinile mari nu dispar, ci se aranjează alternant între valori pozitive și negative”, a spus Tierno.
Rețeaua pentaheptită s-a comportat diferit: chiar și la cea mai puternică atracție, aproximativ un nod din patru a rămas cu sarcină mică. „În această geometrie, este imposibil să aranjezi sarcinile alternant astfel încât fiecare cerință de maximizare locală să fie satisfăcută simultan. Ca urmare, sistemul devine frustrat”, a explicat cercetătorul. Buclele cu număr impar de laturi împiedică alternarea perfectă, lăsând sistemul cu multe aranjamente aproape echivalente.
Concluziile arată că frustrarea în ghețurile coloidale poate apărea nu doar când sistemul încearcă să minimizeze sarcinile locale, ci și când încearcă să le maximizeze. Deoarece interacțiunea dintre particule este stabilită de câmpul magnetic, ea ar putea fi comutată: adăugarea unei componente verticale ar transforma câmpul rotativ într-un con, iar în funcție de unghiul acestuia particulele ar atrage sau ar respinge în medie, cu schimbarea la aproximativ 54,7 grade, cunoscut ca unghiul magic.
Tierno consideră că cel mai promițător pas următor este tocmai această posibilitate de reglare: „Ajustarea interacțiunilor pereche de la respingere la atracție prin orientarea câmpului magnetic aplicat ar putea fi folosită pentru a programa un sistem să se comporte fie ca un gheț coloidal convențional, fie ca un anti-spin ice coloidal.” El adaugă că acest lucru ar putea ajuta la înțelegerea modului în care apare sau dispare frustrarea și ar putea fi extins la alte platforme de gheț artificial, inclusiv sisteme nanomagnetice, supraconductoare sau metamateriale.
