Kolloidales Anti-Spin-Eis mit rotierenden Magnetfeldern erzeugt

Die klassische Eisregel wird umgekehrt

In gewöhnlichem Wassereis hält jedes Sauerstoffatom zwei Wasserstoffatome nah und zwei weiter entfernt – eine Konfiguration, die als Eisregel bekannt ist. Da viele Anordnungen dieses Gleichgewicht gleichermaßen erfüllen, bleibt die atomare Struktur ungeordnet und zeigt geometrische Frustration. Wissenschaftler haben dieses Verhalten historisch mit künstlichen Spin-Eisen modelliert, die aus mikroskopischen Kolloidpartikeln in technisch gefertigten Rillen bestehen, wie Phys.org dokumentiert – ein fortlaufender Innovationsprozess in der Physik weicher Materie. In traditionellen Aufbauten treiben abstoßende Wechselwirkungen die Partikel auseinander, um das lokale Ungleichgewicht, die topologische Ladung, an jedem Knotenpunkt zu minimieren.

„In einem Anti-Spin-Eis versucht das System, die lokalen topologischen Ladungen zu maximieren statt zu minimieren.“

— Pietro Tierno, Universität Barcelona

Schnelle Rotation verwandelt Abstoßung in Anziehung

Um ein Anti-Spin-Eis zu bauen, kehrte Mitautor Pietro Tierno von der Universität Barcelona mit seinen Kollegen diese grundlegende Wechselwirkung um. Die Forscher untersuchten paramagnetische Kügelchen mit einem Durchmesser von 2,8 Mikrometern, die aus Polystyrol mit eingebetteten Eisenoxidkörnern bestehen, so Phys.org. Statt eines vertikalen Magnetfelds, das benachbarte Partikel abstoßen lässt, verwendete das Team ein in der Ebene liegendes Magnetfeld, das mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Amplitude von 4 mT rotiert.

Ladungsakkumulation in einem Pentaheptit-Gitter

Das rotierende Feld lässt die Partikel zwischen Anziehung und Abstoßung wechseln, doch die Anziehung Kopf-an-Schwanz ist etwa doppelt so stark wie die seitliche Abstoßung, sodass sich in alle Richtungen eine Nettoanziehung ergibt. In diesem experimentellen Prototyp wurden die Kolloide in lithografische Doppelmulden abgeschieden, die in einem Pentaheptit-Gitter angeordnet sind, das von Renaud Baillou und Matt Terkel abgebildet wurde, wie Phys.org berichtet. Statt sich gleichmäßig zu verteilen und die Knotenpunkte auszugleichen, ballen sich anziehende Partikel an bestimmten Knotenpunkten und räumen andere – es entstehen Zustände mit hohen positiven oder negativen Ladungen, die unter normalen Eisregeln verboten sind. Diese Erkenntnis könnte neuartige Designs in der Mikrorobotik anregen.

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