[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文首次在由可调节高度转子上枢轴排列的磁偶极子组成的3D打印机械系统中实现了宏观磁单极子的实验实现。通过调节转子高度以实现正方形晶格中的简并态，该系统在外部磁场作用下表现出自由磁单极子动力学，以可测量的矫顽场约10 Oe在宏观尺度上复现了纳米尺度自旋冰行为。

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.

研究动机与目标

• 通过使用可调节高度的3D打印转子，在可控的机械系统中实现宏观磁单极子。
• 在宏观尺度上复现纳米尺度自旋冰中观察到的三种不同磁态——反铁磁态、铁磁态和简并正方冰态。
• 在经典宏观系统中探索外部磁场作用下磁单极子的受驱动力学。
• 建立一个用于研究单极子雪崩、拓扑动力学和非热弛豫的平台，该系统具有机械约束。
• 为新型宏观磁机械材料开辟道路，其具有异常压磁性和磁致伸缩特性，适用于柔性机器人和执行器。

提出的方法

• 设计并3D打印具有枢轴钕磁铁的机械转子，通过以5毫米为增量调节转子高度来控制磁相互作用。
• 将84个转子组装成正方形晶格结构，并嵌入亥姆霍兹线圈中，以施加受控的、随时间变化的磁场。
• 实施去磁协议，采用正弦调制、随时间减小的磁场包络，以驱动系统反转并观察单极子动力学。
• 通过顶点构型分类（T1、T2、T3）识别冰规则遵守情况（T1、T2）与单极子生成的违反情况（T3），其中T3顶点携带±2磁荷。
• 在磁场循环下实验测量磁化反转与单极子种群动力学，并与采用正弦退火协议的模拟轨迹进行对比。
• 通过高度偏移（h2）实现简并条件，以获得拓扑受限、无序的基态，类似于人工自旋冰。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在具有可调磁相互作用的3D打印机械系统中工程化并观测到宏观磁单极子？
• RQ2 在具有枢轴偶极子的宏观经典系统中，铁磁态、反铁磁态和简并正方冰态这三种磁态如何表现？
• RQ3 在自旋冰的宏观类比系统中，场驱动动力学在单极子生成、分离与湮灭过程中起什么作用？
• RQ4 在宏观机械类比系统中，是否可观测到纳米尺度系统中已知的快速级联转变与雪崩样动力学？
• RQ5 在缺乏热涨落的情况下，非热驱动系统在多大程度上可以模拟热平衡系综？

主要发现

• 通过调节转子高度，该系统成功实现了三种不同的磁态——铁磁态、反铁磁态和简并正方冰态，其中简并态表现出自由单极子动力学。
• 在简并态（h2）中测得约10 Oe的矫顽场，此时磁化反转过程中单极子种群在该场强附近达到峰值。
• 在简并态中，磁化反转在约10 Oe处出现主要下降，归因于弹道单极子运动，随后在约20 Oe处出现二次转变，表现为T1顶点向T3和T2构型转化。
• 实验测得的磁化曲线与顶点统计结果与正弦退火协议下的模拟轨迹在定性上一致，验证了模型的预测能力。
• 在实验和模拟中均观测到可重新吸收单极子对的快速级联转变，表明可能存在自组织临界性与间断平衡态。
• 该系统表明，磁单极子与受约束的无序等拓扑现象可在经典宏观机械系统中实现，为研究磁机械效应开辟了新平台。