人工胶体冰中通过拓扑电荷转移实现的冰规则脆弱性

人工粒子冰是受约束、相互作用粒子的模型系统。它们在理论上被引入以研究由阻挫涌现的冰流形，以及畴壁与晶界动力学、掺杂、钉扎-去钉扎、拓扑缺陷的受控输运、雪崩和记忆效应。最近此类基于粒子的冰已在纳米图案超导体中的涡旋或重力捕获的胶体中实验实现。在此我们证明，尽管这些冰通常被认为等同于磁自旋冰，它们可以访问后者无法触及的新现象谱。通过实验、理论与模拟，我们证明在混合配位几何中，熵驱动的负单极子以由顶点混合比决定的密度自发出现。与其基于自旋的类似物不同，胶体系统展示了一个“脆弱冰”流形，其中局部能量学反对冰规则，而冰规则通过全局拓扑电荷的守恒来强制实施。由拓扑稳定的脆弱胶体冰可通过拓扑电荷转移被自发破坏。