Νέος τύπος φράκταλ εμφανίζεται στους πάγους spin

Ένας νέος τύπος φράκταλ εμφανίστηκε απροσδόκητα σε μια κατηγορία μαγνητών που είναι γνωστοί ως πάγοι spin. Τα νέα φράκταλ, τα οποία παρατηρήθηκαν σε καθαρούς τρισδιάστατους κρυστάλλους τιτανικού δυσπροσίου (Dy₂Ti₂O₇), φαίνεται να προέρχεται από διεγέρσεις μαγνητικών μονοπόλων στο υλικό και θα μπορούσε να έχει εφαρμογές στη μαγνητοθερμιδική, τη σπιντρονική, την αποθήκευση πληροφοριών και τον κβαντικό υπολογισμό.

Τα φράκταλ είναι πανταχού παρόντα στη φύση και υπάρχουν σε πολλές κλίμακες, από τη μακροεντολή έως τη νανο. Καθημερινά παραδείγματα περιλαμβάνουν νιφάδες χιονιού, δίκτυα αιμοφόρων αγγείων, ορεινά τοπία και ακτές. Για να χαρακτηριστεί ως φράκταλ, ένα αντικείμενο πρέπει να έχει μια ιεραρχική γεωμετρική δομή με ένα βασικό μοτίβο που επαναλαμβάνεται σε διαρκώς μειούμενα μεγέθη, διακλαδίζοντας σε στενότερα μοτίβα που είναι μικρότερες εκδόσεις του κύριου.

Εντελώς νέος τύπος φράκταλ

Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ, τη Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Μιγαδικών Συστημάτων στη Δρέσδη, το Πανεπιστήμιο του Τενεσί στις ΗΠΑ και την Universidad Nacional de La Plata στην Αργεντινή ανακάλυψε τώρα έναν εντελώς νέο τύπο φράκταλ σε καθαρούς τρισδιάστατους πάγους spin. Η ονομασία «spin ice» προέρχεται από το γεγονός ότι σε αυτά τα υλικά, η διαταραχή των μαγνητικών ροπών (ή spin) σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι ακριβώς η ίδια με τη διαταραχή πρωτονίων στον πάγο του νερού. Από δομική άποψη, οι περιστρεφόμενοι πάγοι περιέχουν ροπές ιόντων σπάνιων γαιών που καταλαμβάνουν τις γωνίες ενός τετραεδρικού σχεδίου και οι τοπικοί περιορισμοί σημαίνουν ότι αυτές οι στιγμές υπακούουν στους «κανόνες πάγου»: δύο δείχνουν προς το τετράεδρο και δύο προς τα έξω.

Σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το μηδέν Κέλβιν, οι κρυσταλλικές περιστροφές σχηματίζουν ένα μαγνητικό ρευστό. Μικρές ποσότητες θερμικής ενέργειας αναγκάζουν στη συνέχεια να σπάσουν οι κανόνες του πάγου σε έναν μικρό αριθμό τοποθεσιών και ο βόρειος και ο νότιος πόλος να σχηματίζουν τις αναποδογυρισμένες περιστροφές χωριστά ο ένας από τον άλλο. Σε αυτό το σημείο, συμπεριφέρονται σαν να ήταν ανεξάρτητα μαγνητικά μονόπολα.

Ζώντας σε έναν κόσμο φράκταλ

«Συνειδητοποιήσαμε ότι τα μονόπολα πρέπει να ζουν σε έναν κόσμο φράκταλ», εξηγεί το μέλος της ομάδας Claudio Castelnovo από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, «και να μην κινείται ελεύθερα σε τρεις διαστάσεις, όπως πάντα υποτίθεται». Για να είμαστε πιο ακριβείς, προσθέτει, οι διαμορφώσεις των περιστροφών δημιούργησαν ένα δυναμικό δίκτυο που διακλαδώθηκε ως φράκταλ και τα μονόπολα κινούνταν κατά μήκος του (βλ. εικόνα).

Για να εξηγήσουν αυτή τη συμπεριφορά, οι ερευνητές αναφέρθηκαν σε ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει πώς τα μονόπολα πηδούν χάρη στην κβαντική σήραγγα των μαγνητικών περιστροφών. Βρήκαν ότι υπάρχουν δύο πολύ διαφορετικές χρονικές κλίμακες στις οποίες ένα μονόπολο μπορεί να το κάνει αυτό. «Σε ποιες χρονικές κλίμακες συμβαίνει ένα συγκεκριμένο συμβάν περιστροφής σήραγγας εξαρτάται από τη διαμόρφωση των γειτονικών περιστροφών», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Jonathan Nilsson Hallén. «Έγινε σαφές ότι το μεγαλύτερο από τα δύο διαφορετικά χρονοδιαγράμματα διάνοιξης σήραγγας είναι πολύ μεγαλύτερο από το μικρότερο. Τα μονοπολικά άλματα που συμβαίνουν σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα μπορούν επομένως να αγνοηθούν».

Οι συστάδες σχηματίζουν φράκταλ

Όταν οι ερευνητές υπολόγισαν αυτό και υπολόγισαν τον τυπικό αριθμό των εναπομεινάντων διαθέσιμων λυκίσκων για ένα μονόπολο, διαπίστωσαν ότι το σύστημα βρίσκεται κοντά σε ένα κρίσιμο σημείο στο οποίο ο μέσος αριθμός κινήσεων που είναι διαθέσιμος σε ένα μονόπολο σε κάθε τοποθεσία είναι αυτός που δημιουργεί φράκταλ συστάδες . Στις προσομοιώσεις τους, χαρτογράφησαν τις τοποθεσίες που μπορεί να φτάσει κάθε μονόπολο και έδειξαν ότι αυτά τα σμήνη αποτελούν πράγματι τα φράκταλ που προέβλεψαν.

Η μελέτη μονοπόλων σε spin ice με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να είναι σημαντική για μια σειρά από εφαρμογές, λέει ο Hallén. «Οι περιστροφικοί πάγοι είναι μια από τις πιο προσιτές περιπτώσεις τοπολογικών μαγνητών και τα μαγνητικά μονόπολα σε spin πάγους είναι ένα από τα καλύτερα κατανοητά παραδείγματα κλασματοποιημένων διεγέρσεων», λέει. Κόσμος Φυσικής. «Το τοπολογικά υλικά παραμένουν μέχρι σήμερα ένας από τους πιο εντατικά ερευνημένους τομείς της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης και υπάρχει ελπίδα ότι τα συναρπαστικά φαινόμενα που παρουσιάζουν αυτά τα υλικά θα αποδειχθούν χρήσιμα για εφαρμογές όπως η μαγνητοθερμιδική, η σπιντρονική, η αποθήκευση πληροφοριών και ο κβαντικός υπολογισμός».

Τα μαγνητικά μονόπολα εμφανίζονται στον τεχνητό περιστρεφόμενο πάγο

Ο Hallén σημειώνει ότι έχουν συσσωρευτεί στοιχεία ασυνήθιστης δυναμικής συμπεριφοράς σε spin πάγους για περισσότερες από δύο δεκαετίες. Δεδομένου αυτού του αυξανόμενου όγκου αποδεικτικών στοιχείων, προτείνει ότι το χρονικό διάστημα που χρειάστηκε για την ανακάλυψη δυναμικών φράκταλ στον περιστροφικό πάγο δείχνει ξεκάθαρα ότι απέχουμε πολύ από το να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά κλασματοποιημένων φορτίων, όπως μαγνητικών μονοπόλων, στο ίδιο επίπεδο που κατανοούμε τα συμβατικά φορτία όπως τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο. «Η ικανότητα των περιστρεφόμενων πάγων να παρουσιάζουν τέτοια εντυπωσιακά φαινόμενα μας κάνει να ελπίζουμε σε περαιτέρω εκπληκτικές ανακαλύψεις στη συνεργατική δυναμική ακόμη και απλών τοπολογικών συστημάτων πολλών σωμάτων», λέει.

Οι ερευνητές διερευνούν τώρα πώς οι άλλες ιδιότητες των σπιν πάγων μπορεί να επηρεαστούν από τα δυναμικά φράκταλ. «Ειδικά, ελπίζουμε να συνεργαστούμε με πειραματικές ομάδες για να βρούμε περαιτέρω στοιχεία αυτής της συμπεριφοράς», λέει ο Hallén. «Ψάχνουμε επίσης ενεργά για άλλα συστήματα στα οποία ενδέχεται να εμφανίζονται παρόμοιοι δυναμικοί περιορισμοί και σκοπεύουμε να διερευνήσουμε ευρύτερα το εύρος των επιπτώσεων που μπορεί να προκαλέσουν».

Αναφέρουν λεπτομερώς την παρούσα εργασία τους Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/