يظهر نوع جديد من الفركتل في الجليد الدوراني

ظهر نوع جديد من النمطي هندسي متكرر بشكل غير متوقع في فئة من المغناطيسات تعرف باسم السبين الجليدي. الفركتلات الجديدة ، التي لوحظت في بلورات نظيفة ثلاثية الأبعاد من تيتانات الديسبروسيوم (Dy₂Ti₂O₇) ، يبدو أنه يأتي من إثارة أحادي القطب المغناطيسي في المادة ، ويمكن أن يكون له تطبيقات في مجال البؤر المغناطيسية ، والإلكترونيات المغزلية ، وتخزين المعلومات ، والحوسبة الكمومية.

الفركتلات منتشرة في كل مكان في الطبيعة وتوجد في العديد من المقاييس ، من الماكرو إلى النانو. تشمل الأمثلة اليومية رقاقات الثلج وشبكات الأوعية الدموية والمناظر الطبيعية للجبال والسواحل. للتأهل إلى صورة كسورية ، يجب أن يكون للكائن بنية هندسية هرمية بنمط أساسي يتكرر بأحجام متناقصة باستمرار ، ويتفرع إلى أنماط أضيق تكون نسخًا أصغر من النموذج الرئيسي.

نوع جديد تمامًا من الفركتل

فريق في جامعة كامبريدجأطلقت حملة معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة في دريسدن, جامعة تينيسي في الولايات المتحدة و يونيفرسيداد ناسيونال دي لا بلاتا في الأرجنتين اكتشف الآن نوعًا جديدًا تمامًا من الفركتلات في الجليد الدوراني النظيف ثلاثي الأبعاد. يأتي اسم "الدوران الجليدي" من حقيقة أنه في هذه المواد ، يكون اضطراب اللحظات المغناطيسية (أو الدورات) في درجات الحرارة المنخفضة هو نفسه تمامًا اضطراب البروتون في جليد الماء. من الناحية الهيكلية ، تحتوي السبينيات الجليدية على لحظات أيونية أرضية نادرة تشغل زوايا نمط رباعي السطوح ، وتعني القيود المحلية أن هذه اللحظات تخضع "لقواعد الجليد": اثنان منها يشيران إلى رباعي الوجوه ونقطتين منه.

عند درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر كلفن ، تشكل اللفات البلورية سائلًا مغناطيسيًا. ثم تتسبب الكميات الصغيرة من الطاقة الحرارية في كسر قواعد الجليد في عدد صغير من المواقع ، ويقوم القطبان الشمالي والجنوبي بتكوين الدورات المقلوبة المنفصلة عن بعضها البعض. في هذه المرحلة ، يتصرفون كما لو كانوا أحاديات أقطاب مغناطيسية مستقلة.

الذين يعيشون في عالم كسوري

يوضح أحد أعضاء الفريق: "لقد أدركنا أن الأحاديات يجب أن تعيش في عالم كسوري" كلاوديو كاستلنوفو من جامعة كامبريدج ، "وعدم التحرك بحرية في ثلاثة أبعاد كما كان يُفترض دائمًا." ولكي نكون أكثر دقة ، يضيف ، أن تكوينات السبينات خلقت شبكة ديناميكية تشعبت على شكل فراكتل ، وتحركت أحاديات الأقطاب على طولها (انظر الشكل).

لتفسير هذا السلوك ، أشار الباحثون إلى نموذج رياضي يصف كيف تقفز أحاديات القطب بفضل النفق الكمومي للسبينات المغناطيسية. ووجدوا أن هناك مقياسين زمنيين مختلفين تمامًا يمكن أن يقوم بهما أحادي القطب. يقول المؤلف الرئيسي للدراسة: "تعتمد المقاييس الزمنية التي يحدث عليها حدث معين للنفق الدوراني على تكوين الدورات المجاورة". جوناثان نيلسون هالين. "أصبح من الواضح أن الأطول بين المقياسين الزمنيين المختلفين للنفق أكبر بكثير من النطاق الزمني الأقصر. وبالتالي يمكن تجاهل القفزات الأحادية التي تحدث على النطاقات الزمنية الأطول ".

الكتل تشكل الفركتلات

عندما أخذ الباحثون في الاعتبار ذلك وحسبوا العدد النموذجي للقفزات المتبقية المتاحة للقطب الأحادي ، وجدوا أن النظام يقع بالقرب من نقطة حرجة يكون فيها متوسط ​​عدد الحركات المتاحة للقطب الأحادي في كل موقع هو الذي يولد عناقيد كسورية. . في عمليات المحاكاة الخاصة بهم ، قاموا بتحديد المواقع التي يمكن أن يصل إليها كل أحادي القطب ، وأظهروا أن هذه المجموعات تشكل بالفعل الفركتلات التي توقعوها.

يقول هالين إن دراسة أحادي القطب في الجليد المغزلي بهذه الطريقة يمكن أن يكون مهمًا لمجموعة من التطبيقات. "تعد السبينات واحدة من أكثر الأمثلة التي يمكن الوصول إليها للمغناطيسات الطوبولوجية والأقطاب المغنطيسية أحادية القطب في جليد السبين هي واحدة من أفضل الأمثلة المفهومة للإثارة المجزأة" ، كما يقول عالم الفيزياء. "تظل المواد الطوبولوجية حتى الآن واحدة من أكثر المجالات التي تم بحثها بشكل مكثف في فيزياء المادة المكثفة ، وهناك أمل في أن تكون الظواهر المثيرة التي تعرضها هذه المواد مفيدة لتطبيقات مثل المغنطيسية والإلكترونيات المغزلية وتخزين المعلومات والحوسبة الكمومية."

تظهر أحادي القطب المغناطيسي في الجليد الدوراني الاصطناعي

يلاحظ هالين أن الأدلة على السلوك الديناميكي غير المعتاد في السبينيات تتراكم منذ أكثر من عقدين. بالنظر إلى مجموعة الأدلة المتصاعدة هذه ، يقترح أن طول الوقت الذي استغرقه اكتشاف الفركتلات الديناميكية في جليد الدوران يوضح بوضوح أننا بعيدون عن فهم سلوك الشحنات المجزأة ، مثل أحادي القطب المغناطيسي ، على نفس المستوى الذي نفهم فيه الشحنات التقليدية مثل الإلكترونات في المعدن. يقول: "إن قدرة السبينجات على عرض مثل هذه الظواهر المدهشة تجعلنا نأمل في اكتشافات مفاجئة أخرى في الديناميكيات التعاونية حتى للأنظمة الطوبولوجية البسيطة متعددة الأجسام".

يدرس الباحثون الآن كيف يمكن أن تتأثر الخصائص الأخرى للجليد المغزلي بالفركتلات الديناميكية. يقول هالين: "على وجه الخصوص ، نأمل في العمل مع مجموعات تجريبية للعثور على مزيد من الأدلة على هذا السلوك". "نحن أيضًا نبحث بنشاط عن أنظمة أخرى قد تظهر فيها قيود ديناميكية مماثلة ، ونخطط لإجراء تحقيق أوسع نطاقًا في نطاق التأثيرات التي قد تنتج عنها."

هم بالتفصيل عملهم الحالي في علوم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/