Paul Scherrer研究所的Barbara Vonarburg 信用:Unsplash/CC0公共领域 PSI的研究人员第一次观察到特殊布局的微小磁体如何仅仅因为温度变化而自我排列
这种对发生在所谓的人造自旋冰中的过程的观察，可以在新型高性能计算机的开发中发挥重要作用
该结果发表在今天的《自然物理学》杂志上
当水冻结成冰时，水分子及其氢原子和氧原子以复杂的结构排列
水和冰是不同的相，从水到冰的转变叫做相变
在实验室里，可以制造出晶体，其中的基本磁矩，即所谓的自旋，形成了与冰相当的结构
这就是为什么研究人员也称这些结构为旋转冰
物理学家凯文·霍夫伊斯解释说:“我们已经制造了人造自旋冰，它基本上由纳米磁体组成，这些纳米磁体非常小，它们的取向只能随着温度的变化而变化。”
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在研究人员使用的材料中，纳米磁体排列成六边形结构——这种模式是从日本名为kagome的篮子编织艺术中得知的
PSI多尺度材料实验实验室负责人、苏黎世联邦理工学院教授劳拉·海德曼说:“理论上已经预测到人造戈薇自旋冰的磁相变，但以前从未观察到。”
“由于在PS I洁净室中使用最先进的光刻技术生产材料，以及在瑞士光源SLS中使用特殊的显微镜方法，现在才有可能检测相变
《自然物理学》杂志现在正在发表这些实验的结果
诀窍是:微小的磁桥 对于他们的样品，研究人员使用了一种称为坡莫合金的镍铁化合物，它被涂在硅基底上形成一层薄膜
他们使用光刻工艺反复形成小的六角形纳米磁体图案，每个纳米磁体大约半微米(百万分之一米)长，六分之一微米宽
但这还不是全部
“诀窍是我们用微小的磁桥连接纳米磁体，”Hofhuis说
“这导致了系统中的微小变化，使我们能够以一种我们可以观察到的方式来调节相变
然而，这些桥必须非常小，因为我们不想过多地改变系统
" 这位物理学家仍然惊讶于这项事业居然成功了
随着纳米桥的发明，他正在挑战当今光刻技术空间分辨率的技术极限
有些桥只有十纳米(十亿分之一米)宽
Hofhuis说，这个实验中的数量级确实令人印象深刻:“虽然我们样品中最小的结构在纳米范围内，但对它们成像的仪器——SLS——有近300米的周长
海德曼补充道:“我们检查的结构比我们用来检查它们的仪器小300亿倍。”
" 显微镜和理论 在SLS的SIM光束线上，研究小组使用了一种叫做光电发射电子显微镜的特殊方法，这种方法可以观察阵列中每个纳米磁体的磁性状态
他们得到了负责SIM的科学家阿明·克莱伯的积极支持
“我们能够录制一段视频，展示当我们改变温度时，纳米磁体是如何相互作用的，”Hofhuis总结道
原始图像只是包含不时切换的黑白对比度
由此，研究人员能够推断出自旋的结构，也就是磁矩的排列
“如果你看这样的视频，你不知道自己正处于哪个阶段，”霍夫伊斯解释道
这需要理论上的考虑，这篇文章是由苏黎世联邦理工学院的PSI物理学家兼兼职教授Peter Derlet撰写的
他的模拟展示了相变时理论上应该发生的情况
只有记录的图像与这些模拟的比较证明了在显微镜下观察到的过程实际上是相变
操纵相变 这项新的研究是劳拉·海德曼的团队十多年来在研究人工旋转冰方面取得的又一项成就
这位物理学家说:“这些材料的伟大之处在于，我们可以对它们进行剪裁，并直接看到它们内部发生了什么。”
“我们可以观察到各种令人着迷的行为，包括相变和取决于纳米磁体布局的有序化
这对于传统晶体中的自旋系统是不可能的
“虽然目前这些研究仍然是纯粹的基础研究，但研究人员已经在考虑可能的应用
“现在我们知道我们可以看到和操纵这些材料的不同阶段，新的可能性正在出现，”Hofhuis说
控制不同的磁相位对于新型的数据处理可能是有意义的
PSI和其他地方的研究人员正在研究如何将人工旋转冰的复杂性用于新型低功耗高速计算机
海德曼解释说:“这个过程基于大脑中的信息处理，并利用了人造旋转冰对磁场或电流等刺激的反应。”
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