Spineise haben Kristallgitter, die aus Tetraedern magnetischer Ionen bestehen. Im Grundzustand zeigen zwei der vier Spins jedes Tetraeders nach innen und zwei nach außen. Wenn eine Anregung erzeugt wird, die als magnetischer Monopol bezeichnet wird, wird diese Regel verletzt, wenn sich der Monopol durch den Kristall bewegt. Die Monopoldynamik spiegelt sich in Größen wie magnetischem Rauschen wider, dessen Messungen eine andere Frequenzabhängigkeit gezeigt haben als die, die das einfachste Modell vorhersagt.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler der University of Cambridge, der Max-Planck-Institut Für die Physik komplexer Systeme identifizierten die University of Tennessee und die Universidad Nacional de La Plata ein entstehendes dynamisches Fraktal in einem störungsfreien, stöchiometrischen und dreidimensionalen magnetischen Kristall im thermodynamischen Gleichgewicht. Sie entdeckten diesen neuen Fraktaltyp in einer Materialklasse namens Eis drehen.
Die Neuheit ist auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens wird fraktales Verhalten typischerweise durch Unordnung induziert, wohingegen die Phänomene in einem klaren, makellosen dreidimensionalen Kristall auftreten. Zweitens führen die ungewöhnlichen Prinzipien, die die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung in diesen Systemen bestimmen, zu Fraktalen im Spineis. Diese Eigenschaften führten zur Prägung des Begriffs „emergentes dynamisches Fraktal“.
Die besondere topologische Struktur von Eismaterialien schleudern„Die magnetischen Eigenschaften und ihre Fähigkeit, neu auftretende magnetische Monopolanregungen zu unterstützen, haben sie in den vergangenen Jahren hervorstechen lassen.“ Ein fraktales Muster erscheint zum ersten Mal in den meisten perfekten Kristallen ohne Unordnung. Dies wird durch die Dynamik dieser magnetischen Monopole und deren Wechselwirkung mit der Kristallstruktur verursacht.
Technisch gesehen unterstützt ein quantenmechanischer Prozess, der vom magnetischen Zustand benachbarter Atome abhängt, die dynamischen Regeln, die die Monopolbewegung im Spineis steuern. Das Verfahren wurde in umfangreichen Computersimulationen implementiert und die Ergebnisse mit hochauflösenden experimentellen Beobachtungen bei flachen Temperaturen verglichen. Die Fraktale können nicht durch Messungen statischer Attribute gefunden werden, da sie dynamischer Natur sind. Sie erzeugen jedoch ein deutlich messbares Signal in der Reaktion und den Variationen des Magnetisierung.
Jonathan N. Hallén, der Erstautor und derzeitige Doktorand. Student am Cavendish Laboratory, sagte: „In der Tat wurden Signaturen dieser Fraktale in Experimenten beobachtet, von denen einige fast zwei Jahrzehnte zurückreichen, und sie waren bis heute kaum verstanden. Neben dem allgemeinen Interesse und der wissenschaftlichen Neugier unserer Ergebnisse erklären wir damit auch einige rätselhafte Ergebnisse, die die wissenschaftliche Gemeinschaft vor Herausforderungen gestellt haben.“
„Es wird interessant sein zu sehen, welche anderen Eigenschaften dieser Materialien angesichts der neuen Erkenntnisse unserer Arbeit vorhergesagt oder erklärt werden können. Die Fähigkeit des Spineises, solche auffälligen Phänomene zu zeigen, verspricht weitere überraschende Entdeckungen in der kooperativen Dynamik selbst einfacher topologischer Vielteilchensysteme.“
Professor Claudio Castelnovo, Theorie der Physik der kondensierten Materie, Cavendish Laboratory, sagte, „Man könnte sich fragen, ob die in diesen Systemen beobachtete langsame Entspannung – die sich aus dem entstehenden dynamischen fraktalen Verhalten ergibt – genutzt werden kann, um ein mögliches neues Paradigma für das Auftreten von Glasigkeit in Systemen ohne diese Störung vorzustellen.“
Journal Referenz:
- Jonathan Hallen et al. Dynamisches fraktales und anomales Rauschen in einem sauberen magnetischen Kristall. Wissenschaft. DOI: 10.1126/science.add1644
