Лабораториски систем создаде „анти-спин мраз“ што ги максимизира локалните полнежи

Во вообичаениот колоиден мраз, честичките се сместени во двојни јами долж решетка, а секоја може да биде поблиску до едно од двете соседни темиња. Кога честичките се одбиваат, тие создаваат избалансиран број блиски честички кај секое теме — распоред познат како „правило на мразот“. Новата студија известува за „анти-спин мраз“, во кој привлечните честички настојуваат да ги максимизираат локалните тополошки полнежи, наместо да ги минимизираат. Топoлошкиот полнеж тука го опишува локалниот распоред на честичките околу теме. Истражувањето комбинира лабораториски експерименти со компјутерски симулации на колоидни решетки. Тоа е моделски систем: резултатите сами по себе не покажуваат дека истото однесување постои во природни магнети или други материјали.

Како привлекувањето го менува правилото?

Честичките биле парамагнетни зрна од полистирен со железен оксид, со дијаметар од 2,8 μm. Истражувачите примениле брзо ротирачко магнетно поле во рамнината; при висока фреквенција просечниот ефект на интеракциите станувал привлечен. Така можеле да испитаат како спротивната насока на интеракција го менува подредувањето во различни геометрии. Во квадратната и шестаголната решетка се појавил наизменичен распоред на силно наполнети темиња, а трудот известува за единствена основна состојба во двете геометрии. Основна состојба е најстабилното подредување што го опишува системот.

Зошто петаголните и седумаголни петелки го спречуваат редот?

Во пентахептитната решетка, составена од петаголни и седумаголни петелки, совршено наизменично подредување на најсилните полнежи не може да се оствари низ целата мрежа. Тоа е геометриска фрустрација: распоредот на решетката спречува сите локални ограничувања да бидат задоволени истовремено. Наместо еден совршен глобален ред, остануваат повеќе блиски енергетски состојби. Во експериментите, дури и при силно привлекување останале темиња со ниски полнежи, што авторите го поврзуваат со ова ограничување на геометријата. Наодот покажува дека фрустрација може да се појави и кога системот се обидува да ги максимизира локалните полнежи, ако решетката го спречува нивното глобално подредување.

За пентахептитната решетка експериментите користеле поле со фреквенција од 1 Hz. При повисоки фреквенции честичките се вртеле и се движеле во јамите, што го нарушувало уреденото однесување. И споредбата со симулациите бара претпазливост: за да се усогласат резултатите, истражувачите ги рескалирале експерименталните вредности на магнетното поле за фактор 2,4. Значи, наодот открива начин на кој геометријата може да го попречи редот во овој лабораториски модел, но не утврдува дека истиот механизам важи и за други материјали.