显示出弯曲摆动和重新连接的磁能串

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模型纳米磁阵列，其中的行为可以最好地理解为一组摆动的弦的行为。由格子间的高能连接点组成的弦可以拉伸和收缩，也可以重新连接。这些字符串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谓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某些尖端半导体。该结果最近发表在《科学》杂志的一篇论文中。

“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研究员、该作品的作者之一克里斯蒂亚诺·尼索利说。“我们已经在理论上和实验上多次证明，曾经被认为是固有量子的特征可以通过经典相互作用的纳米磁体系统再现。”

据共同作者、耶鲁大学应用物理学教授彼得希弗说，“这个系统是拓扑驱动特征出现在纯经典材料系统中的一个例子——这使得它们更容易研究和表征。”

这项工作是在洛斯阿拉莫斯理论部门的 Nisoli 小组与 Schiffer 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，两人与其他人一起提出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 '25、Shayaan Subzwari '23、Ioan-Augustin Chioar、Hilal Saglam 和 Nicholas Bingham(现就职于缅因大学)，以及 Justin Ramberger 和 Chris Leighton在明尼苏达大学。

“最初，我们专注于简单的几何形状和模型，有时模仿现有的天然材料，”Nisoli 说。“但从一开始，这个想法就更加雄心勃勃：我们不是在自然材料中发现偶然发现的奇异或有用的现象，而是试图生产人造材料，在这些材料中可以设计新现象，并以高度可控的方式进行检查，也许是考虑到未来的功能，例如内存存储或计算。”

这些团队首先在洛斯阿拉莫斯进行了理论上的开发，然后在耶鲁大学和伯克利国家实验室的先进光源进行了实验，开发了一种名为圣达菲自旋冰的几何形状，其灵感来自新墨西哥州圣达菲砖地板的形状。“关于 Santa Fe 旋转冰的一个有趣的事实是，虽然它是由一堆二元磁铁组成的，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 Santa Fe 旋转冰并证明了这些弦的存在及其特性。在目前的工作中，他们研究了弦是如何移动的。耶鲁大学的 Schiffer 说，使用在伯克利完成的光电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剪辑，因此我们可以在它们自发地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，所以它们在有限的温度下会翻转它们的两极，这就是一种众所周知的超顺磁性现象。”

在高温下，研究人员观察到弦的合并和重新连接，导致系统在拓扑不同的配置之间转换。但在交叉温度以下，弦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：在特定温度以下，那些拓扑上非平凡的运动被抑制，只有拓扑上平凡的(摆动、延伸、收缩)仍然存在。

“在这里，我们展示了一个 人工制造的真实系统，它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，它会抑制拓扑上不平凡的动力学途径，并且仍然局限在一个拓扑类，”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的弦通过它们的运动并在行为上做出意想不到的转变。”

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