Toroidic phase transitions in a direct-kagome artificial spin ice

旋转冰 相变 化学物理 材料科学 相(物质) 凝聚态物理 纳米技术 物理 量子力学 磁单极子
作者
Wencheng Yue,Zixiong Yuan,Peiyuan Huang,Yizhe Sun,Tan Gao,Yang-Yang Lyu,Xuecou Tu,Sining Dong,Liang He,Ying Dong,Xun Cao,Lin Kang,Huabing Wang,Peiheng Wu,Cristiano Nisoli,Yong-Lei Wang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:19 (8): 1101-1107 被引量:7
标识
DOI:10.1038/s41565-024-01666-6
摘要

Ferrotoroidicity—the fourth form of primary ferroic order—breaks both space and time-inversion symmetry. So far, direct observation of ferrotoroidicity in natural materials remains elusive, which impedes the exploration of ferrotoroidic phase transitions. Here we overcome the limitations of natural materials using an artificial nanomagnet system that can be characterized at the constituent level and at different effective temperatures. We design a nanomagnet array as to realize a direct-kagome spin ice. This artificial spin ice exhibits robust toroidal moments and a quasi-degenerate ground state with two distinct low-temperature toroidal phases: ferrotoroidicity and paratoroidicity. Using magnetic force microscopy and Monte Carlo simulation, we demonstrate a phase transition between ferrotoroidicity and paratoroidicity, along with a cross-over to a non-toroidal paramagnetic phase. Our quasi-degenerate artificial spin ice in a direct-kagome structure provides a model system for the investigation of magnetic states and phase transitions that are inaccessible in natural materials. Toroidic phases and their phase transitions are notoriously hard to study in natural materials. Now, a direct-kagome spin ice provides access to two low-temperature toroidal phases, ferrotoroidicity and paratoroidicity, as well as to toroidic phase transitions.
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