Topological internal control of the transport of colloidal particles and bipeds on non-periodic magnetic patterns

Titelangaben

Farrokhzad, Farzaneh:
Topological internal control of the transport of colloidal particles and bipeds on non-periodic magnetic patterns.
Bayreuth , 2025 . - VIII. 98 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

This cumulative thesis is dedicated to the experimental study of the topological and drift transport of colloidal particles on top of non-periodic magnetic patterns. A promising approach to avoid disturbing effects of perturbations in a system, is using a topological protected transport. I will show in such system with topological protection, the transport is robust against perturbations. Magnetic particles can be transported above magnetic patterns using topologically protected transport. By applying a homogeneous external magnetic field that changes its direction along a loop, colloidal particles move on top of magnetic patterns. On top of periodic patterns one can transport all colloidal particles belonging to the same topological class along the same direction irrespective of their location on the pattern. I show how to move identical particles in different directions independently to perform different tasks using non-periodic patterns, in which the direction of the transport depends on the absolute position of the particles above the patterns. I will show which non-periodic patterns to use and which loops to apply to fulfill my desired tasks. By applying an external magnetic field, single colloidal particles self assemble into colloidal bipeds that are rods of different length formed by several single colloidal particles. I investigate how to use this control over single particles to synthesize bipeds in a specific location. In order to determine how much internal control I can have, I will show how to design a non-periodic pattern and modulation loop such that they work together in synergy to synthesize bipeds of a desired length. I will address the question how to use a single loop to give different commands to single colloidal particles and bipeds to do different tasks, simultaneously. Finally, I will show what kind of non-topological transport we can observe in superpositions of two magically twisted periodic patterns, by applying a drift force and a precessing external magnetic field.

Abstract in weiterer Sprache

Diese kumulative Arbeit widmet sich der experimentellen Untersuchung des topologischen und Drifttransports kolloidaler Partikel auf nichtperiodischen magnetischen Mustern. Ein vielversprechender Ansatz zur Vermeidung störender Effekte beim Transport ist es diesen topologisch zu schützen. Ich werde zeigen, dass topologisch geschützter Transport robust gegenüber Störungen ist. Magnetische Partikel können mithilfe eines topologisch geschützten Transports über magnetische Muster transportiert werden. Durch Anlegen eines homogenen externen Magnetfelds, das seine Richtung entlang einer Schleife ändert, bewegen sich kolloidale Partikel auf magnetischen Mustern. Auf periodischen Mustern können alle kolloidalen Partikel, die derselben topologischen Klasse angehören, entlang derselben Richtung transportiert werden, obwohl sie sich an verschiedenen Positionen befinden. Ich zeige, wie identische Partikel auf nichtperiodischen Mustern unabhängig voneinander in verschiedene Richtungen bewegt werden können, um dort unterschiedliche Aufgaben auszuführen. Die Richtung des Transports hängt dabei von der absoluten Position der Partikel über den Mustern ab. Ich werde zeigen, welche nichtperiodischen Muster zu verwenden sind und welche Schleifen anzuwenden sind, damit die kolloidalen Teilchen meine gewünschten Aufgaben erfüllen. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds fügen sich einzelne kolloidale Partikel selbst zu kolloidalen Zweibeinern zusammen, die aus Stäben unterschiedlicher Länge bestehen, die aus mehreren einzelnen kolloidalen Partikeln bestehen. Ich untersuche, wie diese Kontrolle über einzelne Partikel genutzt werden kann, um Zweibeiner an einem bestimmten Ort zu synthetisieren. Um zu bestimmen, wie viel interne Kontrolle ich haben kann, werde ich zeigen, wie man ein nichtperiodisches Muster und eine Modulationsschleife so gestaltet, dass sie in Synergie zusammenarbeiten, um Zweibeiner einer gewünschten Länge zu synthetisieren. Ich werde die Frage behandeln, wie man eine einzelne Schleife verwendet, um einzelnen kolloidalen Partikeln und Zweibeinern verschiedene Befehle zu erteilen, damit sie gleichzeitig verschiedene Aufgaben ausführen. Abschließend werde ich zeigen, welche Art von nichttopologischem Transport wir in Überlagerungen zweier magisch verdrehter periodischer Muster be\-obachten können, indem wir eine Driftkraft und ein präzedierendes externes Magnetfeld anwenden.