Ny type fraktal dukker op i spin-is

En ny type fraktal dukkede uventet op i en klasse af magneter kendt som spin-is. De nye fraktaler, som blev observeret i rene tredimensionelle krystaller af dysprosiumtitanat (Dy₂Ti₂O₇), ser ud til at komme fra excitationer af magnetiske monopoler i materialet og kan have anvendelser inden for magnetokalori, spintronik, informationslagring og kvanteberegning.

Fraktaler er allestedsnærværende i naturen og findes i mange skalaer, fra makro til nano. Daglige eksempler omfatter snefnug, netværk af blodkar, bjerglandskaber og kystlinjer. For at kvalificere sig som en fraktal skal et objekt have en hierarkisk geometrisk struktur med et grundlæggende mønster, der gentages i stadigt faldende størrelser og forgrener sig til smallere mønstre, der er mindre udgaver af det primære.

Helt ny type fraktal

Et hold på University of Cambridge, Max Planck-instituttet for komplekse systemers fysik i Dresden, University of Tennessee i USA og Universidad Nacional de La Plata i Argentina har nu opdaget en helt ny type fraktal i rene tredimensionelle spin-is. Navnet "spin ices" kommer fra det faktum, at i disse materialer er forstyrrelsen af ​​magnetiske momenter (eller spins) ved lave temperaturer nøjagtig den samme som protonforstyrrelsen i vandis. Strukturelt set indeholder spin ices sjældne jordarters ion-momenter, der optager hjørnerne af et tetraedrisk mønster, og lokale begrænsninger betyder, at disse øjeblikke overholder "is-reglerne": to peger ind i tetraederet og to peger ud af det.

Ved temperaturer lige over nul kelvin danner krystallerne en magnetisk væske. Små mængder termisk energi får derefter isreglerne til at bryde på et lille antal steder, og nord- og sydpolen, der udgør de vendte spins, adskilles fra hinanden. På dette tidspunkt opfører de sig, som om de var uafhængige magnetiske monopoler.

At leve i en fraktal verden

"Vi indså, at monopolerne må leve i en fraktal verden," forklarer teammedlem Claudio Castelnovo fra University of Cambridge, "og ikke bevæger sig frit i tre dimensioner, som det altid var blevet antaget." For at være mere præcis, tilføjer han, skabte konfigurationerne af spins et dynamisk netværk, der forgrenede sig som en fraktal, og monopolerne bevægede sig langs det (se figur).

For at forklare denne adfærd henviste forskerne til en matematisk model, der beskriver, hvordan monopoler hopper takket være kvantetunnelering af de magnetiske spins. De fandt ud af, at der er to meget forskellige tidsskalaer, hvorpå en monopol kan gøre dette. "Hvilke tidsskalaer en specifik spin-tunneling-begivenhed sker på afhænger af konfigurationen af ​​de tilstødende spins," siger undersøgelsens hovedforfatter Jonathan Nilsson Hallén. "Det blev klart, at den længere af de to forskellige tunneltidsskalaer er meget større end den kortere. Monopol humle, der sker på længere tidsskalaer, kan derfor ignoreres."

Klynger danner fraktaler

Da forskerne redegjorde for dette og beregnede det typiske antal resterende hop tilgængelige for en monopol, fandt de ud af, at systemet sidder nær et kritisk punkt, hvor det gennemsnitlige antal bevægelser, der er tilgængelige for en monopol på hvert sted, er det, der genererer fraktale klynger . I deres simuleringer kortlagde de de steder, hver monopol kan nå og viste, at disse klynger faktisk danner de fraktaler, de forudsagde.

At studere monopoler i spin ices på denne måde kunne være vigtigt for en lang række applikationer, siger Hallén. "Spin ices er et af de mest tilgængelige forekomster af topologiske magneter, og magnetiske monopoler i spin ices er et af de bedst forståede eksempler på fraktionaliserede excitationer," fortæller han Fysik verden. "Topologiske materialer forbliver til dato et af de mest intenst undersøgte områder inden for kondenseret stofs fysik, og der er håb om, at de spændende fænomener, som disse materialer viser, vil vise sig nyttige til applikationer som magnetokalorik, spintronik, informationslagring og kvanteberegning."

Magnetiske monopoler vises i kunstig spin-is

Hallén bemærker, at beviser for usædvanlig dynamisk adfærd i spin ices er blevet akkumuleret i mere end to årtier. I lyset af denne voksende mængde beviser foreslår han, at den tid, det tog at opdage dynamiske fraktaler i spin-is, tydeligt viser, at vi er langt fra at forstå adfærden af ​​fraktionaliserede ladninger, som magnetiske monopoler, på samme niveau, som vi forstår konventionelle ladninger såsom elektroner i et metal. "Spin ices kapacitet til at udvise sådanne slående fænomener gør os håbefulde om yderligere overraskende opdagelser i samarbejdsdynamikken i selv simple topologiske mangekropssystemer," siger han.

Forskerne undersøger nu, hvordan spin-isens øvrige egenskaber kan blive påvirket af de dynamiske fraktaler. "I særdeleshed håber vi at arbejde med eksperimentelle grupper for at finde yderligere beviser for denne adfærd," siger Hallén. "Vi søger også aktivt efter andre systemer, hvor lignende dynamiske begrænsninger kan forekomme, og vi planlægger at undersøge bredere rækken af ​​effekter, de kan give anledning til."

De beskriver deres nuværende arbejde i Videnskab.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/