Buzu kırmak: Bilim adamları, dönmeyi önleyici bir buz oluşturmak için çekici parçacıkları kullanıyor

yakın zamanda Doğa İletişimi Araştırmada araştırmacılar, geleneksel spin buzlarının tersini yapan ve onları yöneten buz kuralını çiğneyen bir sistem olan anti-spin buzun hayata geçirildiğini bildirdiler.

Dönen buzlar, su buzunda bulunan bir kuralı taklit eden manyetik sistemlerdir. Su buzunda, her oksijen atomu iki hidrojen atomunu yakın ve iki hidrojen atomunu uzakta tutar. Bu, buz kuralı olarak bilinir. Pek çok düzenleme bu kuralı eşit derecede iyi karşıladığından, buzdaki hidrojen atomları düzensiz hale gelir, bu da tekrar eden bir model olmadığı anlamına gelir.

Bu, bir sistemdeki rekabet halindeki etkileşimlerin tümü aynı anda karşılanamadığında ortaya çıkan ve eşit derecede iyi uzlaşmalar bırakan geometrik hayal kırıklığının bir işaretidir.

Bilim adamları bu davranışı, kolloid adı verilen küçük mıknatıslardan veya mikroskobik parçacıklardan oluşan yapay spin buzları adı verilen mühendislik sistemlerinde yeniden yarattılar.

Kolloidal buzlarda parçacıklar, bir kafes boyunca düzenlenmiş küçük oluklar veya oyuklarda bulunur ve her biri bir uca veya diğerine yakın durur. Parçacıklar birbirini ittiği için eşit şekilde yayılırlar ve her bağlantı noktasındaki parçacıkların dengesizliğini (topolojik yükü) mümkün olduğu kadar küçük tutarlar.

Araştırmacılar çoğunlukla itici parçacıklar kullanarak koloidal buzlar üzerinde çalıştılar. Yeni çalışmada araştırmacılar, parçacıklar birbirini çektiğinde ne olacağını incelediler ve anti-spin buz dedikleri şeyi yarattılar.

CEİD, Barselona Üniversitesi’nden çalışmanın ortak yazarı Pietro Tierno ile konuştu. Tierno, çalışmanın “parçacıklar arasındaki çift etkileşiminin işareti kadar temel bir şeyi (iticiden çekiciye) değiştirmenin, fiziksel bir sistemde geometrik hayal kırıklığının ortaya çıkma şeklini tamamen değiştirebileceği fikriyle motive edildiğini” söyledi.

Yükler, çekim ve itme

Kolloidal buzda her oluk tek bir parçacığı tutar ve kafesin iki köşesini birbirine bağlar. Parçacık her iki köşenin yakınında durabilir, küçük bir ok gibi davranabilir veya bir köşeye doğru ve diğerinden uzağa işaret eden bir dönüş yapabilir. Araştırmacılar bu okları her köşeye topolojik bir yük vermek için kullanırlar. Kaç tane parçacığın köşeye yakın, kaç tanesinin uzakta durduğunu sayarlar ve aradaki fark yükü verir.

Kare bir kafes üzerinde her köşe dört oyukla çevrilidir. Yakınında iki, uzakta da iki parçacık bulunan bir tepe noktasının yükü sıfırdır. Her parçacık iki köşe arasında paylaşıldığı için, onu bir köşeye yaklaştırmak onu diğerinden uzaklaştırır. İtici parçacıklar içeren en düşük enerjili düzenleme, her köşeyi mümkün olduğunca dengeli tutar. Sonuç, buz kuralının kolloidal buz versiyonudur.

Tierno, “Kural merkezi bir öneme sahiptir, çünkü birçok engellenmiş sistemin düşük enerjili durumlarını yönetir. Gerçekten de, onlarca yıldır çoğu yapay spin-buz araştırmasının ardındaki düzenleyici prensip olmuştur” dedi.

Bunun yerine parçacıklar birbirlerine çekildikleri zaman, bazı köşelere doğru kalabalıklaşırken diğerlerinden uzaklaşırlar.

“Anti-spin buzda sistem, yerel topolojik yükleri en aza indirmek yerine maksimuma çıkarmayı amaçlıyor” dedi.

Kare bir kafes üzerinde, dört parçacığın tamamının yakında olduğu bir tepe noktası +4 gibi yüksek bir pozitif yüke sahip olurken, dört parçacığın tamamının uzakta olduğu bir tepe noktası -4 gibi yüksek bir negatif yüke sahip olacaktır. Bu konfigürasyonlar buz kuralı tarafından yasaklanmıştır.

Dönen bir manyetik alan

Araştırmacılar, demir oksit tanecikleri ile gömülü polistirenden yapılmış 2,8 mikrometre genişliğinde kolloidal parçacıklar kullandılar. Parçacıklar, harici bir manyetik alan uygulandığında manyetik hale gelir.

Daha önceki manyetik koloidal buzlarda, alan yüzeyden yukarıya doğru yönlendirildiğinde, her koloidal parçacığı yukarıya bakan özdeş bir mıknatısa dönüştürüyordu. Yan yana olduklarında birbirlerini itiyorlardı. Parçacıkların birbirini çekmesini sağlamak daha az basittir.

Alan yüzeye uygulanırsa her parçacığın manyetik momenti aynı yönü gösterir. Saha boyunca baştan sona sıralanan çiftler birbirini çeker, yan yana oturanlar ise iter. Düşük alan kuvvetlerinde, rastgele termal hareket, parçacıkların göreceli konumlarını değiştirebilir ve potansiyel olarak bir çiftin çekmesini veya itmesini değiştirebilir.

Bu sorunu aşmak için ekip, yüzey düzleminde hızla dönen bir manyetik alan uyguladı. Döndükçe her parçacık çifti çekme ve itme arasında geçiş yapar. Baştan kuyruğa çekim, yan yana itmeden yaklaşık iki kat daha güçlüdür, bu da her yönde aynı net çekimle sonuçlanır.

Araştırmacılar daha sonra parçacıkları, küçük eliptik oluklardan oluşan, oluk başına bir parçacık olacak şekilde pentaheptit bir kafese (beş ve yedi kenarlı halkalardan oluşan bir desen) yerleştirdiler.

İtici koloidal buzlarda, her oluğun ortasındaki küçük bir tepe veya tümsek, parçacıkların merkeze yerleşmesini engelledi. Cazibe ile merkez istikrarsızdır. Rastgele termal hareket bir parçacığı hafifçe oyuğunun bir ucuna doğru ittiğinde, parçacıkların o uçtaki çekimi onu yolun geri kalan kısmına doğru çeker, dolayısıyla herhangi bir tepeye ihtiyaç duyulmaz.

Ekip, dönen alanın gücünü yavaş yavaş artırdı ve parçacıklar arasındaki çekim giderek güçlendi. Alan saniyede bir kez dönüyordu. Daha yüksek hızlarda parçacıklar dönmeye ve oluklarının içinde hareket etmeye başlayarak sistemi bozdu.

Deneylerin yanı sıra araştırmacılar, alanın saniyede 50 kez döndüğü kare, petek ve pentaheptit kafesleri incelemek için bilgisayar simülasyonları kullandılar. Ayrıca üçgen ve doğrudan kagome (üçgen ve altıgenlerden oluşan bir desen) kafesleri de incelediler.

Tek, çift ve sinirli döngüler

Kare kafes simülasyonlarında, buz kuralıyla dengelenen köşeler, araştırmacılar çekim kuvvetini artırdıkça ortadan kayboldu. Onların yerine, köşeler ya dört parçacığın tamamı yakında ya da dördü de uzakta olacak şekilde kafes boyunca bir dama tahtası gibi dönüşümlü olarak sona erdi.

Aynı şey, her bir tepe noktasında üç oluğun buluştuğu bal peteği kafesinde de oldu: üç parçacığın hepsinin yakın olduğu köşeler, üçünün de uzakta olduğu köşelerle dönüşümlü olarak değişiyordu.

Tierno, “Yük kristalleşmesi, yüksek yüklerin kaybolmadığı, bunun yerine pozitif ve negatif değerler arasında dönüşümlü olarak kendilerini kademeli bir şekilde düzenlediği sistemin bir durumudur” diye açıkladı.

Her iki kafeste de sistem tek bir düzenli düzenlemeye yerleşti. Bal peteği kafesi için bu, birçok düzenlemenin buz kuralını eşit derecede iyi karşıladığı itici durumla çelişir. Araştırmacılar ayrıca üçgen ve doğrudan kagome kafesler için tek sıralı düzenlemeler de belirlediler.

Simülasyonlar ve deneyler, pentaheptit kafesin diğerleri gibi davranmadığını gösterdi. Cazibe arttıkça çoğu köşe yüksek oranda yüklü hale geldi, ancak düşük yüklü köşelerin bir kısmı her zaman kaldı. En güçlü çekimde bile kabaca dört köşeden biri düşük yükte kaldı.

Tierno, “Bu geometride, yükleri her yerel yük maksimizasyon gereksiniminin aynı anda karşılanacağı şekilde kademeli bir şekilde düzenlemek imkansızdır. Sonuç olarak sistem hüsrana uğrar” dedi.

Pentaheptit kafeste yükler tek taraflı döngüler etrafında mükemmel bir şekilde değişemez. İki komşu köşe daima aynı işaretle sonuçlanır. Geriye kalan düşük yüklü köşeler farklı yerlere oturabilir, bu nedenle sistem tek bir sıralı model yerine neredeyse eşdeğer birçok düzenlemeye sahiptir.

“Anti-spin buzumuzda, hayal kırıklığı tam tersi sorundan kaynaklanıyor: topolojisi mükemmel yük sıralamasını önleyen bir kafes üzerindeki yükü küresel olarak maksimuma çıkarmanın imkansızlığı” diye ekledi.

Araştırmacılar, parçacık aralığı ve manyetik tepkideki farklılıkları hesaba katmak için manyetik alan güçlerini yeniden ölçeklendirdikten sonra deneysel sonuçlar simülasyonlarla yakından eşleşti.

Sonraki adımlar

Bulgular, koloidal buzlardaki hayal kırıklığının, yalnızca bir sistem yerel yükleri en aza indirmeye çalıştığında değil, aynı zamanda bunları en üst düzeye çıkarmaya çalıştığında da ortaya çıkabileceğini gösteriyor. Bu, kafes yüklerin tutarlı bir düzende değişmesini önlediğinde meydana gelir.

Araştırmacılar, hayal kırıklığını yerel kurallar ile kafesin genel düzeni arasındaki uyumluluk sorunu olarak tanımlıyor. Düzenin çatışmayı nasıl yarattığı etkileşime bağlıdır. İtme ile köşeler mümkün olan en küçük yükü destekler. Cazibe ile en büyüğü tercih ederler. Pentaheptit kafes üzerinde, tek taraflı beş ve yedi kenarlı döngülerin karışımı, bu yüksek yüklü köşelerin her yerde değişmesini önler.

Parçacıklar arasındaki etkileşim manyetik alan tarafından belirlendiğinden prensipte değiştirilebilir. Dönen alana dikey bir bileşen eklemek, onun bir koni şeklinde süpürülmesini sağlayacaktır. Koninin açısına bağlı olarak, sihirli açı olarak bilinen yaklaşık 54,7 derecelik değişimle parçacıklar ortalama olarak çekiyor veya itiyor.

Tierno, gelecekteki çalışmalar için olası yönler arasında en heyecan verici olanı “uygulanan manyetik alanın yönelimi yoluyla çift etkileşimlerinin iticiden çekiciye ayarlanmasının, bir sistemi geleneksel bir kolloidal buz veya kolloidal anti-spin buz gibi davranacak şekilde programlamak için kullanılabileceği gerçeğidir” dedi.

“Bu sadece hayal kırıklığının nasıl ortaya çıktığını veya ortadan kaybolduğunu anlamamıza yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda hayal kırıklığını programlamak için bile kullanılabilir. Bu kavramlar daha sonra nanomanyetik, süper iletken veya meta malzeme sistemleri de dahil olmak üzere diğer yapay buz platformlarına genişletilebilir” dedi.