Визуализация стала возможной благодаря разработке нового искусственного магнитного материала. Открытие означает замечательные возможности для исследования материалов.
Исследователи из Университета Аалто и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли продемонстрировали, что образование поляронов также происходит в системе магнитных зарядов, а не только в системе электрических зарядов. Возможность контролировать транспортные свойства таких зарядов может позволить создавать новые устройства, основанные на магнитных, а не электрических зарядах, например компьютерную память.
Поляроны являются примером эмерджентного явления, которое, как известно, происходит в физике конденсированного состояния. Например, электрон, движущийся по кристаллической решетке, вытесняет окружающие его ионы, вместе создавая эффективную квазичастицу - полярон, которая имеет энергию и массу, отличные от энергии и массы голого электрона. Поляроны оказывают сильное влияние на электронный транспорт в материалах.
Искусственные системы спинового льда представляют собой метаматериалы, состоящие из литографически сформированных наномагнитов в упорядоченной двумерной геометрии. Отдельные магнитные строительные блоки решетки спинового льда взаимодействуют друг с другом через диполярные магнитные поля.
Исследователи использовали материальный дизайн в качестве инструмента для создания нового искусственного спинового льда, решетки диполярных игральных костей.
«Проектирование правильной двумерной геометрии решетки позволило создавать и наблюдать за распадом магнитных поляронов в режиме реального времени», - говорит постдокторский исследователь Алан Фархан из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США).
'Мы ввели решетку диполярных игральных костей, потому что она предлагает высокую степень фрустрации, а это означает, что конкурирующие магнитные взаимодействия не могут быть удовлетворены одновременно. Как и все системы в природе, решетка диполярных игральных костей стремится расслабиться и перейти в низкоэнергетическое состояние. В результате всякий раз, когда со временем возникают возбуждения магнитного заряда, они, как правило, экранируются противоположными магнитными зарядами из окружающей среды», - объясняет д-р Фархан.
Исследователи из Беркли использовали для наблюдений фотоэмиссионную электронную микроскопию, или PEEM. Этот метод отображает направление намагниченности в отдельных наномагнетиках. С термически флуктуирующими магнитными моментами рождение и распад магнитных поляронов можно было бы изобразить в реальном пространстве и времени. Постдокторский исследователь Шарлотта Петерсон и профессор Микко Алава из Университета Аалто (Финляндия) провели моделирование, которое подтвердило богатое термодинамическое поведение системы спинового льда.
'Эксперименты также демонстрируют, что магнитные возбуждения могут создаваться по желанию путем разумного выбора геометрии решетки, а также размера и формы отдельных наномагнитов. Таким образом, искусственный лед - яркий пример дизайнерского материала. Вместо того, чтобы принимать то, что предлагает природа, теперь можно собирать новые материалы из известных строительных блоков с целенаправленно разработанными функциями», - говорит профессор Себастьян ван Дейкен из Университета Аалто.
«Эта концепция, которая выходит далеко за рамки магнитных метаматериалов, только зарождается и в следующем десятилетии будет кардинально определять границы исследования материалов», - добавляет профессор ван Дейкен.