Magnetic field induced equilibrium textures and non-equilibrium motion of particles

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Bugase, Jonas:
Magnetic field induced equilibrium textures and non-equilibrium motion of particles.
Bayreuth , 2018 . - VII, 101 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

This cumulative thesis is dedicated to the study of magnetic fields driven phenomena in two forms. Magnetic fields are used to (i) induce phase separation and modulated phases in a critical mixture and (ii) drive the motion of particles on two-dimensional periodic magnetic lattices. The study focuses on the fundamental physical mechanism (s) that drives these phenomena and contributes to knowledge and understanding of these systems.
In the first part of this work, the phase behavior of a critical ferrofluid mixture in the presence of an external magnetic field is presented. With an applied perpendicular field to the plane of the mixture, an induced demixing is achieved with mesoscopic-sized droplets of the magnetic-rich phase immersed in the non-magnetic majority phase. A variety of modulated phases is exhibited including droplets deformation and labyrinthine patterns. A wrinkling feature of the phase separated droplets in two length scales is also reported. This feature is only observed when the mixture is placed on a substrate such that an air-liquid interface is present. The phase behavior and equilibrium patterns of the mixture is due to competing dipolar-dipolar interactions, interfacial energy and entropy of mixing. The experimental observations have been described with appropriate theory and the two compare favorably.
The second part deals with the driven motion of magnetic particles on magnetic crystal lattices of different symmetries. Using concepts of topology, a robust and reliable transport of colloidal particles is achieved. Colloidal particles placed on top of the magnetic periodic crystals experience the field of the alternating up and down magnetized domains of the pattern. Applying an external time-dependent field in a specific closed loop modulates the potential of the colloids such that it causes them to move along the lattice of the pattern. This motion is proved to be topologically protected and robust against small perturbation. Performing experiments on all possible two-dimensional magnetic point group symmetries, a deep connection between topology and symmetry of the transport mechanism is established. The predicted theory for the transport modes quantitatively agrees with the results of experiment.
The topological protected transport of the colloidal system is further scaled up to a macroscopic scale with a simple, easy to reproduce set up. This offers a real-time observation of the transport of particles and reorientation of the external magnetic field. Using existing theories of the colloidal system, millimeter-sized magnetic particles are transported on magnetic lattices of the same dimension. The results emphasize robustness of the theory for the topologically protected transport in the colloidal system since the two systems are three orders of magnitude different. This implies a possible down scaling to the molecular level and potential applications in other condensed matter systems.

Abstract in weiterer Sprache

Diese kumulative Dissertation widmet sich der Untersuchung von zwei verschiedenen, magnetfeldgesteuerten Phänomenen. Magnetfelder werden verwendet, um (i) in einer kritischen Mischung Phasenseparationen und modulierte Phasen zu erzeugen und (ii) Bewegung von Teilchen auf einem zweidimensionalen magnetischen Kristallgitter zu induzieren. Die Untersuchung fokusiert sich auf die fundamentalen physikalischen Mechanismen, denen diese Phänomene zugrunde liegen und leistet so einen Beitrag zu Kenntnis und Verständnis beider Systeme.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Phasenverhalten einer kritischen Ferrofluidmischung in einem externen magnetischen Feld dargestellt. Durch ein senkrecht zur Flüsssigkeitsebene angelegetes Magnetfeld wird eine Entmischung in mesoskopische Tröpfchen einer ferrofluidreichen Phase, die in der überwiegenden, unmagnetischen Phase eingebettet sind, induziert. Es wird eine Vielzahl an modulierten Phasen ausgebildet, darunter Verformungen der Tröpfchen und labyrinthartige Muster. Für die phasenseparierten Tröpfchen wird zudem eine Faltenbildung auf zwei Längenskalen beobachtet. Diese Eigenschaft tritt nur auf, wenn die Mischung so auf die Unterlage aufgebracht wird, dass eine Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche existiert. Das Phasenverhalten und die Gleichgewichtsmuster der Mischung entstehen durch konkurrierende Dipol-Dipol Wechselwirkungen, sowie Oberflächenenergie- und Entropiebeiträge der Mischung. Die experimentellen Beobachtungen wurden mit entsprechender Theorie beschrieben und beide stimmen gut überein.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der induzierten Bewegung magnetischer Partikel auf magnetischen Kristallgittern verschiedener Symmetrien. Durch das Ausnutzen topologischer Eigenschaften kann ein robuster und verlässlicher Transport der kolloidalen Teilchen erreicht werden. Kolloide, die sich auf einem solchen magnetischen Muster befinden, spüren das Feld der abwechselnd nach oben und unten magnetisierten Domänen des periodischen Musters. Ein zeitabhängiges, externes Feld, welches einer spezifischen, geschlossenen Kurve folgt, verändert das Potential für die Kolloide so, dass diese sich entlang des Gitters des magnetischen Musters bewegen. Es wurde gezeigt, dass die Bewegung topologisch geschützt und robust gegen kleine Störungen ist. Durch Experimente auf magnetischen Mustern mit allen in zwei Dimensionen möglichen Punktgruppensymmetrien wird eine tiefe Verbindung zwischen der Topologie des Systems und der Symmetrie des Transportmechanismus hergestellt. Die vorhergesagte Theorie für die Transportmoden stimmt quantitativ mit den experimentellen Ergebnissen überein.
Der topologisch geschütze Transport des kolloidalen Systems wird weiterhin mit einem einfachen und leicht reproduzierbaren Aufbau auf makroskopische Ebene hochskaliert. Dies ermöglicht Beobachtungen des Teilchentransportes und der Neu\-aus\-richtung des Magnetfeldes in Echtzeit. Unter Verwendung der bestehenden Theorien werden magnetische Teilchen in der Größe von einem Millimeter über ein magnetisches Gitter der selben Größenordnung transportiert. Die Ergebnisse unterstützen die Robustheit der Theorie für topologisch geschützen Transport im kolloidalen System, da die beiden Systeme sich um drei Größenordnungen unterscheiden. Dies sollte die Verkleinerung auf molekulare Ebene und potentielle Anwendungen in anderen Systemen kondensierter Materie ermöglichen.