3D 人工磁旋铁中磁单极子场的直接可视化
介观与纳米尺度物理
2025-11-10 v1
摘要
磁单极子——长期假设为具备孤立磁荷的基本粒子——在旋铁系统中作为受冰规则支配的分裂激发态出现。然而，其三维场结构迄今从未被直接可视化。本文采用双光子光刻制造并加工，制造了一个具有晶金刚几何构成的完全三维人工旋铁晶格。随后我们利用扫描氮空位磁力计，直接测量了既含中性又含单极子顶点的 stray 磁场。我们发现，冰规则顶点在其顶点上方产生抗涡旋纹理，这由局部受扰的 two-in/two-out 排序原理所稳定。直接成像显示单极子 stray 场呈高度发散轮廓。通过将实验结果与微磁动力学模拟相关联并对重建磁化进行多极展开，我们揭示了三维人工旋铁中的单极子是具备磁荷与固有矩的非平凡微磁实体，导致其相互作用呈各向异性，且取决于准粒子在晶格上的位置。结果表明，随着单极子在外加场下的分离，偶极贡献对其相互作用的取向将相对于基本的库仑场重新取向，从而揭示了单极子耦合可以通过几何调节，由局部顶点拓扑决定。这些发现确立了 3D 人工旋铁作为一种可编程磁性亚材料， nanoscale 几何决定了新兴磁荷的能量与动力学。
引用
@article{arxiv.2511.04877,
title = {Direct Visualization of the Magnetic Monopole Field in a 3D Artificial Spin Ice},
author = {Arjen van den Berg and Peter Rickhaus and Frank Barrows and Cristiano Nisoli and Sam Ladak},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.04877},
year = {2025}
}