Magnetically induced dynamics of mesoscopic colloidal systems

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Löhr, Johannes:
Magnetically induced dynamics of mesoscopic colloidal systems.
Bayreuth , 2018 . - VIII, 173 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

This cumulative thesis is dedicated to the experimental and theoretical study of the dynamics of mesoscopic colloidal systems. I am presenting new strategies for the mani- pulation of micrometer sized living and non-living colloidal particles based on magnetic fields. I am thereby following three different approaches that either aim to design novel mechanisms for the transport of colloidal particles or to use colloids as model systems for dynamic phenomena in other condensed matter systems. The three parts are (i) the topologically protected transport of colloidal particles, (ii) the magnetic guidance of magnetotactic bacteria and (iii) the dynamics of monopole defects in artificial colloidal ice.
In the first part I am presenting a novel approach for the transport of magnetic colloidal particles based on topological protection. The colloids are placed above a periodic ma- gnetic lattice of alternating domains with a lattice constant of the order of the particle size. The system is driven by closed periodic modulation loops of a time-dependent ex- ternal magnetic field. With a clever choice of modulation loops it is possible to transport the particles via adiabatic or deterministic ratchet motion. The theoretical investigation of the connection between the driving loops and the colloidal motion shows that the transport in our system is topologically protected. In consequence the colloidal motion turns out to be robust, for example against thermal fluctuations or details of the modu- lation loops. Therefore multiple particles can be transported in a dispersion free manner. Beyond that it is even possible to simultaneously control two different types of particles (paramagnetic and diamagnetic colloids) and to move them into independent directions. The topology is thereby inherently connected to the symmetry of the magnetic lattices. Different symmetries favor distinct transport modes. This is used to implement a colloi- dal topological insulator. Colloids can be stably guided along arbitrary edges between patterns of different symmetry without explicit information over their location or orien- tation.
In contrast to the topologically protected transport of passive particles, the mechanism in the second part is based on actively swimming particles. I am using magnetotac- tic bacteria, which have a internal permanent magnetic moment. This facilitates the manipulation of the bacteria with external magnetic fields. Magnetotactic bacteria are therefore suitable to study the influence of external constraints on the bacterial motion. The bacteria are placed to swim above the magnetic domain structures of garnet films, which allows the stable guidance of magnetotactic bacteria along straight or curved stri- pe domains. Two features are important for this, the active swimming of the bacteria and the magnetic forces and torques exerted on the magnetic moment of the bacteria. A careful balance of these two ingredients results in a stable guidance of the magnetotactic bacteria.
The last part is not concerned with the transport of the mesoscopic particles themselves
iii
but with their use as a model system for spin ice. The elementary magnetic moments (spins) of this remarkable material are strongly frustrated, which results in a highly degenerate ground state. The basic excitations of the spins turned out to be emergent magnetic monopoles. Here I am using a colloidal system to model the dynamics of spins and monopole defects in a two dimensional projection of the spin ice crystal. The colloidal particles are confined in a gravitational double well structure. The collective behavior of the interacting magnetic colloids resembles the frustrated behavior of the spins in spin ice. With the help of colloidal spin ice I observed the dynamics of monopole excitations in real-time, which allowed to draw conclusions on the interactions between pairs of defects. This way I could experimentally confirm that defects in fact show a characteristic monopole behavior. Beyond that I am using colloidal spin ice to realize a universal logic gate based on monopole excitations and suggest a novel approach to recover the degenerate ground state of the original 3D spin ice in the 2D colloidal model system.

Abstract in weiterer Sprache

Diese kumulative Dissertation widmet sich der experimentellen und theoretischen Unter- suchung der Dynamik mesoskopischer kolloidaler Systeme. Ich präsentiere neue Strate- gien zur Manipulation von mikrometergroßen, lebenden und nicht lebenden, kolloidalen Teilchen, die auf Magnetfeldern basieren. Dabei verfolge ich drei verschiedene Ansät- ze, die entweder darauf abzielen neue Mechanismen für den Transport von Kolloiden zu entwerfen, oder Kolloide als Modellsysteme für dynamische Phänomene in anderen Systemen der kondensierten Materie zu verwenden. Die drei Teile dieser Arbeit sind (i) der topologisch geschützte Transport kolloidaler Teilchen, (ii) die magnetische Führung magnetotaktischer Bakterien und (iii) die Dynamik von Monopoldefekten in künstlichem kolloidalem Eis.
Im ersten Teil präsentiere ich eine neue Herangehensweise für den Transport von ma- gnetischen Kolloiden, die auf topologischem Schutz basiert. Die Kolloide werden auf der Domänenstruktur eines periodischen magnetischen Musters platziert, welches eine Git- terkonstante in der Größenordnung der Teilchengröße hat. Das System wird durch die geschlossene und periodische Modulation eines zeitabhängigen externen Magnetfeldes angetrieben. Durch eine geschickte Wahl dieser Modulation ist es möglich, die Kolloide adiabatisch oder per deterministischer Ratsche zu transportieren. Durch die theoretische Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der externen Modulation und der kolloida- len Bewegung konnte gezeigt werden, dass der Transport in unserem System topologisch geschützt ist. Infolgedessen ist die kolloidale Bewegung robust, zum Beispiel gegen ther- mische Fluktuationen und Details der externen Modulation. Daher können viele Kolloide gleichzeitig und dispersionsfrei transportiert werden. Darüber hinaus ist es sogar mög- lich, zwei verschiedene Teilchensorten (paramagnetische und diamagnetische Kolloide) unabhängig voneinander zu kontrollieren und in verschiedene Richtungen zu bewegen. Topologie und Symmetrie der magnetischen Gitter sind dabei untrennbar verbunden. Verschiedene Symmetrien begünstigen unterschiedliche Transportmoden. Diese Tatsache wird verwendet, um einen kolloidalen topologischen Isolator zu implementieren. Kolloide können stabil entlang der Grenzen zwischen zwei Mustern, mit unterschiedlicher Symme- trie, transportiert werden. Dabei ist keine explizite Information über die Position oder Orientierung dieser Grenze notwendig.
Im Gegensatz zum topologisch geschützten Transport passiver Kolloide basiert der im zweiten Teil vorgestellte Ansatz auf aktiv schwimmenden Teilchen. Ich benutze magne- totaktische Bakterien, die ein internes permanentes magnetisches Moment besitzen. Dies ermöglicht die Manipulation der Bakterien mit externen Magnetfeldern. Magnetotakti- sche Bakterien sind daher hervorragend geeignet, um den Einfluss von außen auferlegter Zwänge auf die bakterielle Bewegung zu untersuchen. Die Bakterien werden dazu auf Granatfilmen platziert, sodass sie oberhalb der Domänenstruktur schwimmen können. Diese Konstellation erlaubt die stabile Führung magnetotaktischer Bakterien entlang gerader oder gekrümmter Streifendomänen. Zwei Merkmale sind dafür wichtig. Zum
v
einen das aktive Schwimmen der Bakterien und zum anderen die magnetischen Kräfte und Drehmomente, die auf das magnetische Moment der Bakterien wirken. Ein sorg- fältig ausbalanciertes Gleichgewicht dieser beiden Bestandteile führt zu einer stabilen Bewegung der magnetotaktischen Bakterien.
Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich nicht mit dem Transport der mesoskopischen Teilchen selbst, sondern mit ihrer Verwendung als Modellsystem für Spin-Eis. Die ele- mentaren magnetischen Momente (Spins) dieses bemerkenswerten Materials sind geome- trisch frustriert, was zu einem vielfach entarteten Grundzustand führt. Die elementaren Anregungen in Spin-Eis sind magnetische Quasi-Monopole. In meiner Arbeit verwen- de ich ein kolloidales System, um die Dynamik von Spins und Monopolanregungen in einer zweidimensionalen Projektion des Spin-Eis Kristalls nachzubilden. Die kolloida- len Teilchen werden durch die Gravitation in Doppelmuldenstrukturen eingeschlossen. Das kollektive Verhalten der wechselwirkenden magnetischen Kolloide bildet die Verhal- ten der frustrierten Spins im Spin-Eis nach. Ich benutze dieses kolloidale Modellsystem, um die Dynamik von Monopolanregungen in Echtzeit zu studieren, wodurch sich Rück- schlüsse auf die Wechselwirkungen zwischen Defektpaaren ziehen lassen. Auf diese Weise konnte ich experimentell bestätigen, dass Anregungen in Spin-Eis tatsächlich ein cha- rakteristisches Monopolverhalten zeigen. Darüber hinaus verwende ich das kolloidale Modellsystem, um ein universelles Logikgatter auf der Basis von Monopolanregungen zu realisieren, und stelle einen neuen Ansatz vor, um den entarteten Grundzustand des ur- sprünglich dreidimensionalen Systems im zweidimensionalen, kolloidalen Modellsystem wiederherzustellen.