[论文解读] Artificial Spin Ice of Liquid Crystal Skyrmions

Ayhan Duzgun, Cristiano Nisoli|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用 5

一句话总结

本文提出液晶中的扭旋结构（skyrmions）作为一种新颖且高度可调的类自旋冰平台，展示了在双阱势阱中，由于受挫相互作用，扭旋结构遵循冰规则。该系统实现了对自旋冰态及底层晶格几何结构的实时、实空间观测与动态调控，相较于传统平台展现出前所未有的灵活性。

ABSTRACT

A push to generate exotic, emergent phenomena in the collective behavior of simple, interacting, artificial building blocks proved successful using nano magnets, confined micro-colloids, or superconducting vortices as platforms to realize so-called artificial spin ices. Here we demonstrate that liquid crystals are a new, particularly versatile platform for spin ice physics. We show that interacting skyrmions in liquid crystals can be confined in binary traps, where their frustrated interaction reproduces the ice-rule. Besides their importance as materials in industry, liquid crystals allow for real-time, real-space characterization but also direct, dynamic control not only on the spin-ice ensemble, but on the very geometric structure of the system, something generally impossible in more traditional material platforms.

研究动机与目标

• 建立液晶作为研究人工自旋冰现象的新平台。
• 证明在双阱中相互作用的扭旋结构因受挫相互作用而强制遵守冰规则。
• 利用液晶的独特性质，实现实时、实空间观测自旋冰动力学。
• 实现对自旋冰集合及陷阱晶格几何结构的动态调控。
• 通过利用液晶的可调性和光学可及性，克服传统平台的局限性。

提出的方法

• 利用纳米图案化基底构建双阱势阱，以在液晶中束缚扭旋结构。
• 通过几何约束与扭旋结构间的排斥作用，设计扭旋结构之间的受挫相互作用。
• 施加外部场以动态调节晶格几何结构与自旋冰态构型。
• 采用实时光学显微技术，在实空间中成像扭旋结构的位置与构型。
• 通过统计分析扭旋结构构型，验证其对冰规则的遵守情况，以分析自旋冰基态。
• 利用液晶的光学活性与低耗散特性，实现长时间、非侵入式观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在液晶中通过双阱势阱束缚扭旋结构，实现具有受挫相互作用的人工自旋冰？
• RQ2 此类阱中形成的扭旋结构构型是否满足冰规则，表明其具有涌现的自旋冰行为？
• RQ3 在液晶中，陷阱晶格的几何结构在多大程度上可实现动态调控？
• RQ4 与传统平台相比，液晶中扭旋结构的实时、实空间可观测性在多大程度上提升了自旋冰动力学的研究？
• RQ5 液晶的可调性能否实现对自旋冰态及底层晶格结构的双重控制，而这是传统材料所不具备的能力？

主要发现

• 在双阱中受限的液晶扭旋结构表现出受挫相互作用，强制遵守冰规则，证实了涌现的自旋冰行为。
• 该系统支持对扭旋结构构型的实时、实空间成像，可直接观测动态过程。
• 外部场可实现对自旋冰集合及陷阱晶格几何结构的动态调控。
• 由于液晶具有光学可及性、低耗散性以及对外部刺激的可调响应，该平台展现出高度的多功能性。
• 该平台通过允许同时控制自旋态与晶格几何结构，克服了传统人工自旋冰系统的关键局限性。
• 结果表明，液晶扭旋结构是研究人工自旋冰中涌现现象的有前途的替代平台。