Spin-is har krystalgitre, der består af tetraedre af magnetiske ioner. I en grundtilstand peger to af de fire spin på hvert tetraeder ind og to peger ud. Når der skabes en excitation kaldet den magnetiske monopol, overtrædes denne regel, når monopolen bevæger sig gennem krystallen. Monopol-dynamik afspejles i størrelser som magnetisk støj, hvis målinger har vist en anden frekvensafhængighed end den, den simpleste model forudsiger.
I en ny undersøgelse har forskere ved University of Cambridge, Max Planck Institute for Physics of Complex Systems, University of Tennessee og Universidad Nacional de La Plata identificerede en emergent dynamisk fraktal i en lidelsesfri, støkiometrisk og tredimensionel magnetisk krystal i termodynamisk ligevægt. De afslørede denne nye fraktaltype i en klasse af materialer kaldet spin is.
Nyheden skyldes to faktorer. For det første er fraktal adfærd typisk induceret af uorden, hvorimod fænomenerne forekommer i en klar, fejlfri tredimensionel krystal. For det andet giver de usædvanlige principper, der styrer den tidsmæssige udvikling af magnetiseringen i disse systemer, anledning til fraktaler i spin-is. Disse karakteristika førte til, at udtrykket "emergent dynamical fraktal" blev opfundet.
Den ejendommelige topologiske struktur af spin-is materialer' magnetiske egenskaber og deres evne til at understøtte nye magnetiske monopol-excitationer har fået dem til at skille sig ud i tidligere år. Et fraktalt mønster optræder i de fleste en perfekt krystal uden uorden for første gang. Dette er forårsaget af dynamikken i disse magnetiske monopoler og deres interaktion med krystalstrukturen.
I mere tekniske termer understøtter en kvantemekanisk proces, der afhænger af den magnetiske tilstand af tilstødende atomer, de dynamiske regler, der styrer monopolbevægelsen i spin-is. Proceduren blev implementeret i omfattende computersimuleringer, og resultaterne blev sat i kontrast til højopløselige eksperimentelle observationer foretaget ved lave temperaturer. Fraktalerne kan ikke findes gennem målinger af statiske attributter, fordi de er dynamiske i naturen. Imidlertid genererer de et karakteristisk målbart signal i responsen og variationerne af magnetisering.
Jonathan N. Hallén, den første forfatter og nuværende ph.d. studerende ved Cavendish Laboratory, sagde, "Signaturer af disse fraktaler var faktisk blevet observeret i eksperimenter, nogle går tilbage til næsten to årtier siden, og de var forblevet dårligt forstået til dato. Udover den generelle interesse og videnskabelige nysgerrighed ved vores resultater, forklarer vi således også adskillige gådefulde resultater, der har udfordret det videnskabelige samfund."
"Det bliver interessant at se, hvilke andre egenskaber ved disse materialer kan forudsiges eller forklares i lyset af den nye forståelse, som vores arbejde giver. Spin-isens kapacitet til at udvise sådanne slående fænomener rummer løftet om yderligere overraskende opdagelser i samarbejdsdynamikken i selv simple topologiske mangekropssystemer."
Professor Claudio Castelnovo, Theory of Condensed Matter Physics, Cavendish Laboratory, sagde, "Man kan undre sig over, om den langsomme afslapning, der observeres i disse systemer - som følge af den opståede dynamiske fraktale adfærd - kan bruges til at fremsætte et muligt nyt paradigme for udseendet af glasagtighed i systemer uden lidelsen."
Journal Reference:
- Jonathan Hallen et al. Dynamisk fraktal og unormal støj i en ren magnetisk krystal. Videnskab. DOI: 10.1126/science.add1644
