[論文レビュー] Macroscopic Magnetic Monopoles in a 3D-Printed Mechano-Magnet

Hamilton A. Teixeira, Maria F. Bernardo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2021

Theoretical and Computational Physics参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、調整可能な高さの回転子に取り付けられたピVォットする双極子からなる3Dプリントされた機械的系において、初めてマクロな磁気モノポールの実験的実現を示した。正方格子においてデゲネラシーを達成するように回転子の高さを調整することで、外部磁場下で自由な磁気モノポールの運動を示す。この系は、ナノスケールのスピンアイスの挙動をマクロスケールで再現し、約10 Oeの測定可能な降伏磁場を示す。

ABSTRACT

The notion of magnetic monopoles has puzzled physicists since the introduction of Maxwell's Equations and famously Dirac had hypothesized them in the context of quantum mechanics. While they have proved experimentally elusive as elementary particles, the concept has come to describe excitations or topological defects in various material systems, from liquid crystals, to Hall systems, skyrmion lattices, and Bose-Einstein condensate. Perhaps the most versatile manifestation of magnetic monopoles as quasiparticles in matter has been in so-called spin ice materials. There, they represent violations of the ice rule, carry a magnetic charge, and can move freely unbound. Spin ice emergent magnetic monopoles appear at the atomic scale in rare earth pyrochlores or at the nano-scale in artificial spin ices systems. Here we demonstrate for the first time that the notion of magnetic monopoles can be transported at the macroscopic scale. We have built a mechano-magnet realized via 3D-printing, that consists of mechanical rotors on which macroscopic magnets can pivot. By controlling the relative height of the rotors we can achieve different regimes for magnetic monopoles, including the free monopole state. We then explore their driven dynamics under field. In the future, integration of our proof of principle in an elastic matrix can lead to novel macroscopic mechano-magnetic materials, to explore unusual piezomagnetism and magnetostriction, with applications to actuators and soft-robotics.

研究の動機と目的

• 3Dプリントされた回転子の高さを調整可能にすることで、制御可能な機械的系を用いてマクロな磁気モノポールを実現すること。
• ナノスケールのスピンアイスで観察された三つの異なる磁気的状態—反強磁性、強磁性、デゲネラシーを持つ正方格子アイス—をマクロスケールで再現すること。
• 古典的でマクロな系において、外部磁場下での磁気モノポールの駆動ダイナミクスを調査すること。
• 機械的制約を受ける系において、モノポールのアバランチ、トポロジカルダイナミクス、および断熱的でない緩和を研究するためのプラットフォームを確立すること。
• ソフトロボットやアクチュエータに適した、特異なピエゾマグネチズムとマグネトストリクションを示す新しいマクロスケールの磁気機械的材料への道筋を開くこと。

提案手法

• ピボットするネオジム磁石を備えた3Dプリントされた機械的回転子の設計と製造。回転子の高さを5mm刻みで変更することで、磁気的相互作用を制御する。
• 84個の回転子を正方格子の幾何配置に組み立て、制御可能な時間変化する磁場を印加するためのヘルムホルツコイルに埋め込む。
• 系の反転を駆動するため、正弦波的で時間的に減少する磁場エンVELOPEを用いた消磁プロトコルを実装。
• 頂点構成分類（T1、T2、T3）を用いて、アイス則の適合（T1、T2）とモノポール生成の違反（T3）を特定。T3頂点は±2の磁気的電荷を有する。
• 磁場サイクリング下での磁化反転とモノポール集団ダイナミクスの実験的測定。正弦波的アニーリングプロトコルを用いたシミュレートされた軌道と比較。
• 高さオフセット（h2）によるデゲネラシー条件の適用により、トポロジカルに制約を受ける不規則な基底状態を実現。これは人工スピンアイスに類似している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的相互作用が調整可能な3Dプリントされた機械的系において、マクロな磁気モノポールを設計・観測することは可能か？
• RQ2 ピボットする双極子を有するマクロスケールの古典的系において、強磁性、反強磁性、デゲネラシーを持つ正方格子アイスという三つの異なる磁気的状態はどのように現れるか？
• RQ3 外部磁場駆動ダイナミクスが、マクロスケールのスピンアイスアナログにおけるモノポールの生成、分離、消失に果たす役割は何か？
• RQ4 ナノスケール系で知られている高速なカスケード遷移やアバランチ的ダイナミクスは、マクロスケールの機械的アナログでも観測可能か？
• RQ5 断熱的でない駆動系は、熱的ゆらぎが存在しない状況で、熱的集合体をどの程度再現できるか？

主な発見

• 回転子の高さを調整することで、本系は強磁性、反強磁性、デゲネラシーを持つ正方格子アイスという三つの明確に異なる磁気的状態を実現した。特にデゲネラシー状態では自由なモノポールの運動が観測された。
• デゲネラシー状態（h2）では、約10 Oeの降伏磁場が測定され、磁化反転の過程でモノポール集団がこの磁場強度付近でピークに達した。
• デゲネラシー状態では、磁化反転が10 Oe付近でボールスティックなモノポール運動に起因する主な低下を示し、その後20 Oe付近でT1頂点がT3およびT2構成に変化することで二次的転移が観測された。
• 実験的磁化プロファイルと頂点統計は、正弦波的アニーリング下でのシミュレートされた軌道と定性的に一致しており、モデルの予測能力が裏付けられた。
• 実験およびシミュレーションの両方で、モノポール対の再吸収を伴う高速なカスケード遷移が観測され、自己組織的臨界性および断続的均衡の可能性を示唆した。
• 本系は、トポロジカルな現象としての磁気モノポールや制約を受ける不規則性が、古典的でマクロスケールの機械的系でも実現可能であることを示した。これにより、磁気機械的効果を研究するための新たなプラットフォームが可能になった。