Uut tüüpi fraktaalid tekivad spin-jääs

Uut tüüpi fraktaalid on ootamatult ilmunud magnetide klassi, mida tuntakse spinnjäädena. Uued fraktaalid, mida täheldati düsproosiumtitanaadi puhastes kolmemõõtmelistes kristallides (Dy₂Ti₂O₇), näivad pärinevat materjalis olevate magnetiliste monopoolide ergastusest ning neid võib kasutada magnetokaloorikas, spintroonikas, teabe salvestamises ja kvantarvutuses.

Fraktaalid on oma olemuselt üldlevinud ja eksisteerivad paljudes mastaapides, makro- ja nanosüsteemidest. Igapäevased näited hõlmavad lumehelbeid, veresoonte võrgustikke, mägimaastikke ja rannajooni. Fraktaliks kvalifitseerumiseks peab objektil olema hierarhiline geomeetriline struktuur, mille põhimuster kordub üha väiksemates suurustes, hargnedes kitsamateks mustriteks, mis on põhimustri väiksemad versioonid.

Täiesti uut tüüpi fraktaalid

Meeskond Cambridge'i Ülikool, Max Plancki keeruliste süsteemide füüsika instituut Dresdenis, Tennessee ülikool USA-s ja Universidad Nacional de La Plata Argentinas on nüüd avastanud täiesti uut tüüpi fraktaalid puhastes kolmemõõtmelistes spin-jäädes. Nimetus "pöörlemisjääd" tuleneb asjaolust, et nendes materjalides on magnetmomentide (või spinnide) häire madalatel temperatuuridel täpselt sama, mis prootoni häire veejääl. Struktuuriliselt sisaldavad spin-jääd haruldaste muldmetallide ioonimomente, mis hõivavad tetraeedrilise mustri nurgad, ja kohalikud piirangud tähendavad, et need momendid järgivad "jääreegleid": kaks neist on suunatud tetraeedrisse ja kaks sellest välja.

Temperatuuridel, mis on veidi üle null kelvini, moodustavad kristallide spinnid magnetilise vedeliku. Väikesed soojusenergia kogused põhjustavad seejärel jääreeglite purunemist vähesel arvul kohtadel ning põhja- ja lõunapoolus, mis moodustavad ümberpööratud spinnid, eralduvad üksteisest. Sel hetkel käituvad nad nii, nagu oleksid nad iseseisvad magnetmonopoolid.

Elamine fraktaalmaailmas

"Mõistsime, et monopolid peavad elama fraktaalmaailmas," selgitab meeskonnaliige Claudio Castelnovo Cambridge'i ülikoolist, "ja mitte liikuda vabalt kolmes dimensioonis, nagu oli alati eeldatud." Täpsemalt lisab ta, et spinnide konfiguratsioonid lõid dünaamilise võrgustiku, mis hargnes fraktaalina ja monopoolid liikusid seda mööda (vt joonist).

Selle käitumise selgitamiseks viitasid teadlased matemaatilisele mudelile, mis kirjeldab, kuidas monopoolid hüppavad tänu magnetiliste spinnide kvanttunnelimisele. Nad leidsid, et monopool saab seda teha kahel väga erineval ajakaval. "Millistel ajakavadel konkreetne pöörlemistunneli sündmus toimub, sõltub naaberspinnide konfiguratsioonist," ütleb uuringu juhtiv autor. Jonathan Nilsson Hallén. „Sai selgeks, et pikem kahest erinevast tunneli ajakavast on palju suurem kui lühem. Seetõttu võib pikema aja jooksul toimuvaid monopolihüppeid ignoreerida.

Klastrid moodustavad fraktale

Kui teadlased seda arvesse võtsid ja monopoli jaoks saadaolevate ülejäänud hüpete arvu arvutasid, leidsid nad, et süsteem asub kriitilise punkti lähedal, kus igas kohas monopoolile saadaolev keskmine liigutuste arv on see, mis genereerib fraktaaliklastreid. . Oma simulatsioonides kaardistasid nad kohad, kuhu iga monopool võib jõuda, ja näitasid, et need klastrid moodustavad tõepoolest fraktale, mida nad ennustasid.

Hallén ütleb, et keerlevate jääde monopoolide uurimine sel viisil võib olla paljude rakenduste jaoks oluline. "Pöörlevad jääd on üks kõige kättesaadavamaid topoloogiliste magnetite juhtumeid ja spin-jää magnetilised monopoolid on üks paremini mõistetavaid näiteid fraktsioneeritud ergastusest," räägib ta. Füüsika maailm. "Topoloogilised materjalid on siiani üks kõige intensiivsemalt uuritud kondenseerunud aine füüsika valdkondi ja on lootust, et põnevad nähtused, mida need materjalid näitavad, osutuvad kasulikuks selliste rakenduste jaoks nagu magnetokaloorika, spintroonika, teabe salvestamine ja kvantarvuti."

Kunstlikus keerisjääs tekivad magnetilised monopolid

Hallén märgib, et tõendeid ebatavalise dünaamilise käitumise kohta keerisjäädes on kogunenud enam kui kaks aastakümmet. Arvestades seda kasvavat tõendite hulka, viitab ta sellele, et aeg, mis kulus dünaamiliste fraktaalide avastamiseks pöörlevas jääs, näitab selgelt, et me ei mõista fraktsioneeritud laengute, näiteks magnetiliste monopoolide käitumist samal tasemel, kui tavalisi laenguid. nagu elektronid metallis. "Pöörlevate jääde võime eksponeerida selliseid silmatorkavaid nähtusi paneb meid lootma veelgi üllatavatele avastustele isegi lihtsate topoloogiliste mitmekehaliste süsteemide ühisdünaamikas," ütleb ta.

Teadlased uurivad nüüd, kuidas dünaamilised fraktaalid võivad mõjutada spin-jää muid omadusi. "Eelkõige loodame teha koostööd eksperimentaalsete rühmadega, et leida selle käitumise kohta täiendavaid tõendeid, " ütleb Hallén. "Otsime aktiivselt ka teisi süsteeme, milles võivad ilmneda sarnased dünaamilised piirangud, ja kavatseme laiemalt uurida nende mõjude ulatust."

Nad kirjeldavad üksikasjalikult oma praegust tööd teadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/