一个探索集体行为物理学的多机构团队开发并测量了一个模型纳米磁阵列，其中的行为可以最好地理解为一组摆动的弦。

弦由晶格之间的高能量连接点组成，可以拉伸和收缩，但也可以重新连接。这些字符串很特殊，因为它们仅限于某些终结点，并且必须以特定方式连接到这些终结点。

这些对弦行为的约束是物理学家所谓的拓扑行为的一个例子，它与从甜甜圈的形状到电子如何穿过某些尖端半导体的广泛主题有关。研究结果最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中。

“拓扑物理学引起了最近的兴趣，主要是在量子领域，”洛斯阿拉莫斯国家实验室研究员克里斯蒂亚诺·尼索利(Cristiano Nisoli)说，他是这项工作的作者之一。

“我们已经在理论上和实验上多次证明，曾经被认为是固有量子的特征可以被经典相互作用的纳米磁体系统复制。

根据合著者，耶鲁大学应用物理学教授Peter Schiffer的说法，“这个系统是拓扑驱动特征出现在纯经典材料系统中的一个例子 - 这使得它们更容易研究和表征。

这项工作是在洛斯阿拉莫斯理论部门的Nisoli小组与希弗及其团队在耶鲁大学的实验工作之间正在进行的合作的背景下进行的。从2006年开始，两人与其他人一起提出了自下而上制造由相互作用的磁性纳米岛制成的“人造自旋冰”结构的想法。

这项研究的团队还包括耶鲁大学的研究人员Xiaoyu Zhang，Grant Fitez ' 25，Shayaan Subzwari ' 23，Ioan-Augustin Chioar，Hilal Saglam和Nicholas Bingham(现在在缅因大学)，以及明尼苏达大学的Justin Ramberger和Chris Leighton。

“最初，我们专注于简单的几何形状和模型，有时模仿现有的天然材料，”尼索利说。

“但从一开始，这个想法就更加雄心勃勃：我们没有在自然材料中发现偶然的奇特或有用的现象，而是试图生产人造的现象，在那里可以设计新现象，并以高度可控的方式进行检查，也许考虑到未来的功能，如内存存储或计算。

这些团队首先在洛斯阿拉莫斯进行了理论上的开发，然后在耶鲁大学和伯克利国家实验室的高级光源进行了实验，这是一种称为圣达菲旋转冰的几何形状，其灵感来自新墨西哥州圣达菲砖地板的形状。

“关于圣达菲自旋冰的有趣事实是，虽然它是由一堆二进制磁铁组成的，但它也可以完全描述为一组连续的弦，”尼索利指出。

在以前的工作中，作者制造了圣达菲旋转冰，并证明了这些弦的存在及其特性。在目前的工作中，他们研究了琴弦是如何移动的。

耶鲁大学的希弗说，使用伯克利进行的光发射电子显微镜表征特别有价值，因为它有效地提供了纳米磁体在空间和时间上的视频剪辑，因此我们可以观看它们自发切换北极和南极。在一种称为超顺磁性的著名现象中，纳米岛被制造得非常薄，只有几纳米，所以它们只是在有限的温度下翻转它们的极点。

在高温下，研究人员观察到弦的合并和重新连接，导致系统在拓扑不同的配置之间转换。但在交叉温度以下，弦的运动仅限于长度和形状的简单变化。

因此，这项工作表明存在一个动态交叉：在一定温度以下，那些拓扑上非平凡的移动被抑制，只剩下拓扑上的琐碎(摆动，伸展，收缩)。

“在这里，我们展示了一个真实的系统，人工制造的，通过实验证明了打破随机性或遍历性规则的动力学交叉，因为低于一定温度它会抑制拓扑上非平凡的动力学途径，并且仍然局限于拓扑类，”尼索利说。

“通过我们可以进行的测量，我们能够从字面上观察这些纳米级弦的运动，并在行为上做出意想不到的转变。

“这种洞察力对于任何系统来说都是不寻常的，它为未来的其他拓扑研究奠定了基础，”Schiffer说。