Artificial "spin ice" in a geometrically frustrated lattice of nanoscale ferromagnetic islands
我们报告了一种基于光刻制造的单畴铁磁岛阵列的人工几何阻挫磁体。这些岛的排列方式使得偶极相互作用产生了一个二维的类似物来旋转冰。在这个相关系统中，单个元素的磁矩图像使我们能够研究挫折的局部调节。我们既看到了类似冰的短程相关性，又看到了长程相关性的缺失，这种行为与自旋冰的低温状态惊人地相似。这些结果表明，人工受挫磁铁可以提供一个未知的舞台上，挫折的物理可以直接可视化。
2006-01-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Thermal String Excitations in Artificial Spin-Ice Dipolar Arrays
我们报告了人工自旋冰偶极阵列的理论研究，使用最近实验中采用的纳米岛几何结构[A。Farhan \textit{et al.}，《自然物理学》\textbf{9}（2013）375]。在正方形晶格中的热磁弦激发的数量急剧增加的行和列的垂直位移。我们发现大的增量，特别是在低温和字符串激发准单极的收费$\pm 4$。通过动力学蒙特卡罗模拟，我们解决了这种激发的热稳定性，从而提供了时间尺度的实验观察。
2014-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Realization of magnetic monopoles current in an artificial spin ice device: A step towards magnetronics
磁性--电的磁性等价物--最近首次在实验上得到了验证。事实上，正如电荷流产生电流一样，在被称为自旋冰的几何受抑磁体中，已经观察到出现的磁单极子自由漫游（产生磁流）。然而，这只能通过考虑极端的物理条件来实现，因为自旋冰的单晶必须被冷却到$0.36 K$的温度。克服这一困难的候选者是自旋冰晶的人工类似物，即所谓的人工自旋冰。在这里，我们表明，通过调整几何挫折，这些人工系统的一个特殊类型是一个很好的候选人。我们生产这种材料，并通过实验观察到出现的单极子;然后，我们计算外部磁场的影响，说明如何产生受控的磁流。这种用于磁电子学的潜在纳米器件即使在室温下也是实用的，并且可以随意调整用于开发这种技术的相关参数（例如磁荷强度等）。
2014-04-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Magnetic Charge Propagation upon a 3D Artificial Spin-ice
磁荷在大块阻挫材料中的传播已经产生了科学上的范式转变，允许研究电和磁之间的对称性。最近的工作表明自旋冰表面的磁荷动力学可能对确定有序和相关的相空间有重要影响。在这里，我们详细介绍了一个3D人工自旋冰，一个3D纳米结构阵列的磁性岛屿，捕捉散装系统的确切几何形状，使磁场驱动的动态磁荷直接可视化的表面上。使用磁显微镜，我们观察到沿两个主要方向有很大不同的磁荷动力学。这些显着的差异被发现是由于表面终止和相关的协调，产生不同的能量和相互作用强度的磁荷表面上。
2021-01-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Experimental Studies of Artificial Spin Ice
人造自旋冰最初是作为烧绿石自旋冰的类似物引入的，但后来成为一个更丰富的领域。最初的吸引力建设纳米技术的类似物的pyrophores是三个方面：允许室温下的几何挫折研究;提供模型统计力学系统，在实验中的所有相关参数可以通过设计调整;并能够检查这些系统的精确微观使用先进的磁显微镜方法。从这一开始，该领域已经发展到包括淬火无序，热激活动力学，微波频率响应，磁输运性质，晶格几何形状的发展的影响的研究-与相关的涌现物理学--没有类似的自然发生的晶体系统。该领域还提供了为新型磁逻辑器件做出贡献的前景，因为形成人工自旋冰的纳米岛阵列在许多方面与用于开发磁量子元胞自动机的纳米岛阵列相似。在这一章中，我回顾了这个故事的实验方面，补充了陈嘉伟的理论章节。
2016-11-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Unhappy Vertices in Artificial Spin Ice: Degeneracy from Vertex-Frustration
1935年，鲍林通过考虑冰规则{ \it仅在顶点水平}的简并性，以惊人的精度估计了水冰的剩余熵。事实上，他的估计对三维烧绿石晶格和Lieb在1967年解决的二维六顶点模型都很有效。蜂窝状人工自旋冰的情况是类似的：它的伪冰规则，就像鲍林和利布系统中的冰规则一样，只是将已经存在于顶点中的简并性扩展到全局基态。磁相互作用的各向异性限制了人工自旋冰中固有简并顶点的设计，而蜂窝是迄今为止唯一产生的简并阵列。在本文中，我们将展示如何工程师人工自旋冰在一个几乎无限的各种退化的几何形状建成的非退化顶点。在这类新的顶点模型中，剩余熵不是来自顶点层次的选择自由，而是来自顶点本身的非平凡相对排列。在这样的阵列中，存在回路，沿着这些回路，并非所有的顶点都可以在它们的最低能量配置中被选择：这些回路因此是顶点受挫的，因为它们包含不快乐的顶点。剩余熵在这些晶格中以构型自由的形式出现，分配基态的不幸顶点。这些新的几何形状将最终允许制造许多新的广泛简并的人工自旋冰。
2012-10-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Dynamic response of an artificial square spin ice
利用宽带铁磁共振谱研究了在晶格面内施加磁场的情况下，Ni 80 Fe 20人工正方形自旋冰晶格的磁化动力学.实验观察到的色散显示了丰富的频谱模式对应于不同的磁化状态。这些磁化状态是由交换和偶极个别岛屿之间的相互作用，证实了半解析模型。在低于400 Oe的低场区，发现了模谱的滞后行为，微磁学模拟揭示了所观察到的谱的起源是由于单个纳米磁体的不同磁化状态的初始化。我们的研究结果表明，它可能是可能的，以确定自旋冰状态的共振实验，是第一步走向理解的人工几何挫磁系统在高频制度。
2016-01-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Magnetic multipole analysis of kagome and artificial ice dipolar arrays
我们分析了线性扩展的单畴偶极子阵列形成正方形和戈薇晶格。我们发现，它的相图包含两个（不同的）有限熵kagome冰制度-一个无序，一个代数-以及低温有序相。在几乎接触的岛屿的限制，我们发现了相应的熵高原，这是分析捕获的理论基础上的磁荷的阶梯。对于修改后的方形冰阵列的情况下，我们表明，收费（“单极子”）的激发经历两个不同的库仑相互作用：一个磁性的“三维”的一个以及对数的“二维”的熵起源之一。
2010-07-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Writable spin wave nanochannels in an artificial-spin-ice-mediated ferromagnetic thin film
利用自旋波来传输和处理信息的磁光电子学是一种很有前途的低功耗数据处理技术。其中一个主要的挑战是自旋波传播路径的局部控制。在这里，我们引入了可写磁振子的概念，利用人工自旋冰系统的高度灵活的可重构性和可重写性。使用微磁学模拟，我们表明，全球可切换的自旋波传播和本地可写的自旋波纳米通道可以实现在人工风车自旋冰下的铁磁薄膜。由可重构自旋波纳米通道实现的可编程磁振子提供了一种独特的设置，以设计用于超低功耗应用的可编程磁振子电路和逻辑器件。
2022-03-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Artificial Spin Ice: A Tutorial on Design and Control of Geometry, Microstate, Magnon Dynamics & Neuromorphic Computing
该教程介绍人工自旋冰的基础理论、设计制备、测量控制技术及神经形态计算应用，为新研究者提供相关领域的系统基础知识。
2025-04-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Artificial Bone and Teeth through Controlled Ice Growth in Colloidal Suspensions
规则图案的形成是涉及铸造材料的许多凝固过程的共同特征。我们在这里描述如何可以获得规则的图案在多孔氧化铝和羟基磷灰石（HAP）通过控制陶瓷浆料的冷冻，随后由冰升华和烧结，导致多层多孔陶瓷结构均匀和明确的架构。这些多孔材料可以用选择的第二相渗透，以产生具有改善的机械性能的仿生珍珠质类复合材料，其可用于人造骨和牙齿应用。适当控制固化模式提供了控制最终功能特性的有力手段。我们讨论了实验结果之间的关系，冰生长的基本原理，冰的物理和惰性粒子之间的相互作用和定向冻结过程中的凝固前沿。
2018-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.bio-ph
Mapping Reversal Pathways and Interaction Fields in Artificial Spin Ice
Department of Physics and Astronomy, Uppsala University（乌普萨拉大学物理与天文系）
研究通过FORC测量揭示不同几何结构下磁化反转路径的差异，结合微磁模拟揭示局部与集体行为的联系，为设计可重构磁性存储器提供工具。
2026-04-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Memory of topologically constrained disorder in Shakti artificial spin ice
International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM)（国际结手性超材料可持续发展研究所（WPI-SKCM））
研究Shakti自旋冰中拓扑约束和相关混乱如何产生稳健记忆效应，揭示其序列依赖响应和增强记忆保留机制。
2025-12-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Magnetic order and energy-scale hierarchy in artificial spin ice
为了解释和预测许多物理系统的性质，理解不同能量尺度的相互作用是至关重要的。在这里，我们提出了调查的磁顺序在热人工自旋冰结构，不同的激活能的相互作用伊辛类元素。我们使用基于同步加速器的磁显微镜成像的纳米结构的热平衡磁状态。通过比较从具有一个或两个不同活化能的结构获得的结果，我们证明了对所产生的磁序的明显影响。这些差异是通过分析磁自旋结构因素得到的，其中激活能的作用表现为不同的短程有序。这表明人工自旋系统可以作为模型系统，允许通过几何设计定义能量尺度，并为理解它们的相互作用提供背景。
2018-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Pinning of thermal excitations at defects in artificial spin-ice dipolar arrays: A theoretical investigation
在这个理论研究中，我们解决了正方形晶格偶极阵列中的缺陷对热激发的影响。从最近的实验中采用的纳米磁体的几何形状[A. Farhan \textit{et al.}，《自然物理学》\textbf{9}（2013）375]，允许在室温下热活化。事实证明，激发可以有效地钉扎在缺陷。此外，可以产生连接一对缺陷的纳米磁体的铁磁串;它们的长度与缺陷的距离和磁基态配置的拓扑结构密切相关。我们讨论了各种类型的缺陷，所有这些都可以通过微结构技术产生。
2014-02-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Reconfigurable Training and Reservoir Computing in an Artificial Spin-Vortex Ice via Spin-Wave Fingerprinting
强相互作用的人工自旋系统正在超越模仿自然发生的材料，成为从可重构磁振子到神经形态计算的多功能平台。典型的人工自旋系统包括具有单一磁化织构的纳米磁体：共线宏观自旋或手性涡旋。通过调整纳米阵列的尺寸，我们实现了宏观自旋/涡旋双稳态，并展示了一个四态的超材料自旋系统“人工自旋涡旋冰”（ASVI）。ASVI可以容纳具有强冰状顶点相互作用的Ising类宏自旋，以及具有低杂散偶极场的弱耦合涡旋。涡旋和宏自旋表现出截然不同的自旋波谱与模拟风格的模式振幅控制和模式频率偏移的df = 3.8 GHz。增强的双纹理微观状态空间产生了紧急的物理记忆现象，棘轮式的旋涡训练和历史依赖的非线性衰减记忆时，通过全球的字段周期驱动。我们采用自旋波microstate指纹快速，可缩放读出的涡旋和macrospin人口和利用这一自旋波水库计算。ASVI执行不同的输入信号的线性和非线性映射变换以及混沌时间序列预测。机器学习的能源成本正在以不可持续的方式螺旋式上升，开发ASVI等低能耗神经形态计算硬件对于实现零碳计算未来至关重要。
2022-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanostructured complex oxides as a route towards thermal behavior in artificial spin ice systems
我们已经使用软X射线光电子显微镜图像的磁化单域La $_{0.7}$ Sr $_{0.3}$ MnO $_{3}$纳米岛排列在几何挫折配置，如方形冰和戈薇冰的几何形状。热随机化后，具有强岛间磁耦合的纳米岛系综向低能配置弛豫。统计分析表明，合奏落入低能量配置的可能性强烈依赖于退火温度。与高于居里温度的退火相比，退火到刚好低于铁磁膜的居里温度（T $_{C}$ = 338 K）允许实现低能量配置的大得多的可能性。在325 K的热活性温度下，铁磁纳米岛的集合随着时间的推移探索它们的能量景观，并最终过渡到较低的能量状态，与从居里温度以上冷却时获得的冻结配置相比。因此，该材料系统允许一种简便的方法来系统地研究在略高于室温的温度下纳米岛的人工自旋冰阵列的热演化。
2017-05-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor hetero-system
当有序晶格结构中的局部相互作用能不能同时最小化，导致大量简并态时，就会出现几何挫折。大量的简并构型可能导致微电子学中的实际应用，例如数据存储、存储器和逻辑。然而，很难实现广泛的简并，特别是在二维系统中。在这里，我们展示了在原位可控的几何挫折与大规模简并在二维通量量子系统。我们在一个超导薄膜中制造了这个，它被放置在一个可重构的人造自旋冰结构下面。人造自旋冰中的可调磁荷与超导体中的通量量子强烈相互作用，使通量量子态在受抑和结晶之间切换。不同的状态对超导临界电流分布具有可测量的影响，其可以通过施加外部磁场精确选择自旋冰磁状态来重新配置。我们证明了这些效果的适用性，实现可重编程通量量子二极管。使用人工自旋冰对相互作用的“粒子”的能量景观进行剪裁，为几何挫折的设计提供了一个新的范例，这使我们能够控制其他材料系统中的新功能，例如磁性skyrmion，二维材料中的电子/空穴和拓扑绝缘体，以及软材料中的胶体。
2018-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Emergent spin dynamics enabled by lattice interactions in a bicomponent artificial spin ice
人造自旋冰（ASI）是纳米级磁体上的阵列，既可以作为原子自旋冰中的挫折模型，也可以用于探索新的基于自旋波的传输，处理和存储信息的策略。在这里，我们利用两个不同的铁磁金属排列在一个正方形ASI的互补晶格位置上的磁化动力学的复杂相互作用，以有效地调制自旋波特性。我们发现，两个子晶格之间的相互作用的结果在独特的光谱归因于每个子晶格，我们观察到的两种材料的不同的磁化性质促进了晶格间和晶格内的动力学。系统地研究了动态特性的角度相关的宽带铁磁共振和微磁学模拟证实。我们表明，具有不同磁性能的材料的组合，使实现广泛的二维结构可能打开大门，在纳米磁学的新概念。
2020-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Magnetization Dynamics of Fibonacci-Distorted Kagome Artificial Spin Ice
我们目前的铁磁共振（FMR）的实验和微磁模拟的扭曲，2D戈薇人工自旋冰的结果。扭曲的结构是通过连续调制周期性蜂窝晶格的2D原始晶格平移矢量，根据用于生成1D准晶的非周期性斐波那契序列来创建的。实验数据和微磁模拟表明，斐波那契失真导致FMR模式扩展和分裂成多个分支，这伴随着随着失真的增加而发展的段长度和方向的数量增加。当所施加的场在与片段的净磁化相反的方向上增加时，自旋波模式出现、消失或突然移位，以信号化片段磁化反转事件。这些结果表明，反转事件的复杂行为，以及定义明确的频率和频率场斜率的FMR模式，可以通过改变非周期性晶格畸变的严重程度进行精确调谐。这种畸变结构为复杂磁振子系统的设计提供了一种新的工具。
2020-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Exploring the phases of 3D artificial spin ice: From Coulomb phase to magnetic monopole crystal
本文探索了金刚石键合晶格中三维人工自旋冰的相图，发现双电荷磁单极晶体、单电荷磁单极晶体和库仑相，并揭示表面铁磁条纹抑制双电荷晶体而促使单磁荷微晶形成，表明可通过表面能量工程调控基态。
2022-11-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Observation and control of collective spin-wave mode-hybridisation in chevron arrays and square, staircase and brickwork artificial spin ices
长期以来，人们一直预测纳米图案人工自旋系统中会出现偶极磁振子-磁振子耦合。然而，这种现象和相关的集体自旋波签名的观察，直到最近才被证明是难以捉摸的或限于低功率的边缘模式，这是难以测量的实验。在这里，我们描述了偶极模式杂交的必要条件，它可能是如何控制的，为什么它没有观察到更早，以及如何强耦合可能发生之间的纳米磁体体模。我们实验研究了四种纳米图案化的人工自旋系统的几何形状：“V形”阵列，“正方形”，“楼梯”和“砖”人工自旋冰。我们观察到显着的动态偶极耦合在所有系统中的相对耦合强度和避免交叉的微磁模拟结果支持的差距。我们展示了可重构模式杂交制度，在每个系统中，通过微观状态控制，并在这样做阐明的基础动力学动态偶极耦合与可重构磁振子的影响。我们证明，通过边缘效应对体模的限制在偶极混合模中发挥着关键作用，并且将纳米岛视为相干旋进的宏观自旋或自旋驻波不足以捕捉实验观察到的耦合现象。最后，我们提出了一个参数空间搜索，详细说明如何耦合强度可以通过纳米制造尺寸和材料性能进行调整。
2021-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effective Temperature in an Interacting, Externally Driven, Vertex System: Theory and Experiment on Artificial Spin Ice
相互作用的单畴纳米磁体的受抑阵列为统计力学提供了重要的模型系统，因为它们紧密地映射到充分研究的顶点模型上，并且适合于直接成像和定制工程。虽然这些系统是明显的无热，我们证明，六角和正方形晶格的统计特性可以描述的阵列的静磁能的基础上的有效温度。这个温度具有预测力的时刻配置，是密切相关的时刻是如何驱动的振荡外部场。
2010-05-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Vogel-Fulcher-Tammann Freezing of a Thermally Fluctuating Artificial Spin Ice Probed by X-ray Photon Correlation Spectroscopy
本文报道了由正方形排列的磁岛形成的人工自旋冰从热态到非热态的转变，磁岛的横向尺寸为30 nm~ $\times$ ~70 nm，它们足够小，在室温下是超顺磁性的。我们用共振磁软X射线光子相关谱（XPCS）观测了自旋冰在冷却过程中磁位形的时-时相关性，发现当接近冻结温度$T_0 = 178 \pm 5$ ~K时，自旋冰的磁位形的涨落突然变慢。这种减慢被Vogel-Fulcher-Tammann定律很好地描述，这意味着冷冻状态是玻璃状的，冷冻温度与阵列中静磁相互作用能的强度相称。的活化温度，$T_\mathrm{A} = 40 \pm 10$ ~K，是远远低于预期的Stoner-Wohlfarth相干旋转模型。零场冷却/场冷却磁强计揭示了一个释放的波动状态在这个温度以上的岛屿，在氧化边缘的局部各向异性轴的变化所造成的。这种Vogel-Fulcher-Tammann行为意味着该系统在冻结时进入玻璃态，这对于具有明确定义的基态的系统是意想不到的。
2016-04-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Thermally and field-driven mobility of emergent magnetic charges in square artificial spin ice
设计和构建体现挫折的统计力学的模型系统现在可以使用纳米技术。我们已经安排了纳米磁体在一个二维的正方形晶格，形成一个人工自旋冰，并研究了它的分数激发，涌现磁单极子，以及它们如何响应于驱动场使用X射线磁显微镜。我们观察到一个制度，其中的磁漂移速度是线性的领域以上的临界领域的运动开始。临界场的温度依赖性可以通过在Bean-Livingston模型中引入相互作用项来描述。通过与电荷漂移运动的类比，我们定义和测量了纳米磁体的迁移率，该迁移率对于更高的温度和更强的纳米磁体之间的相互作用都更大。在这个线性政权的流动性描述的蠕变模型的零维电荷移动网络内的准一维对象。
2018-09-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Deep Generative Learning of Magnetic Frustration in Artificial Spin Ice from Magnetic Force Microscopy Images
Theoretical Division, Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室理论 division）；Center for Integrated Nanotechnologies, Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心）；Center for Integrated Nanotechnologies, Sandia National Laboratory（桑塔纳国家实验室集成纳米技术中心）
本文通过深度学习方法从磁力显微镜图像中自动计算自旋冰结构的磁矩和方向，利用变分自编码器生成合成图像并提取特征，以减少实验和分割误差，实现对摩擦顶点和纳米磁性段的精确识别，优化自旋冰配置。
2025-07-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cs.LG
