نوع جدیدی از فراکتال در یخ های اسپین پدیدار می شود

نوع جدیدی از فراکتال به طور غیرمنتظره ای در دسته ای از آهنرباها به نام یخ های چرخشی ظاهر شده است. فراکتال های جدید که در کریستال های سه بعدی تمیز دیسپروزیم تیتانات (Dy) مشاهده شدند₂Ti₂O₇به نظر می رسد که از تحریک تک قطبی های مغناطیسی در مواد ناشی می شود و می تواند در مغناطیسی کالری، اسپینترونیک، ذخیره سازی اطلاعات و محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشد.

فراکتال ها در طبیعت همه جا وجود دارند و در مقیاس های مختلف، از ماکرو تا نانو وجود دارند. نمونه‌های روزمره شامل دانه‌های برف، شبکه‌های رگ‌های خونی، مناظر کوهستانی و خطوط ساحلی است. برای واجد شرایط بودن به عنوان یک فراکتال، یک شی باید ساختار هندسی سلسله مراتبی با یک الگوی پایه داشته باشد که در اندازه‌های رو به کاهش تکرار شود و به الگوهای باریک‌تر منشعب شود که نسخه‌های کوچک‌تری از الگوی اصلی هستند.

نوع کاملاً جدید فراکتال

تیمی در دانشگاه کمبریجاز موسسه ماکس پلانک برای فیزیک سیستم های پیچیده در درسدن, دانشگاه تنسی در آمریکا و Universidad Nacional de La Plata در آرژانتین اکنون یک نوع کاملاً جدید از فراکتال را در یخ های اسپین سه بعدی تمیز کشف کرده است. نام "یخ های چرخشی" از این واقعیت ناشی می شود که در این مواد، اختلال گشتاورهای مغناطیسی (یا اسپین ها) در دمای پایین دقیقاً مشابه اختلال پروتون در یخ آب است. از نظر ساختاری، یخ‌های چرخشی حاوی گشتاورهای یونی کمیاب هستند که گوشه‌های یک الگوی چهار وجهی را اشغال می‌کنند، و محدودیت‌های محلی به این معنی است که این لحظه‌ها از "قوانین یخ" پیروی می‌کنند: دو نقطه به سمت چهار وجهی و دو نقطه از آن به بیرون اشاره می‌کنند.

در دمای کمی بالاتر از کلوین صفر، چرخش کریستال یک سیال مغناطیسی را تشکیل می دهد. سپس مقادیر کمی انرژی حرارتی باعث می‌شود که قوانین یخ در تعداد کمی از مکان‌ها شکسته شود و قطب‌های شمال و جنوب چرخش‌های برگردانده را از یکدیگر جدا کنند. در این مرحله، آنها طوری رفتار می کنند که گویی تک قطبی های مغناطیسی مستقل هستند.

زندگی در دنیای فراکتال

عضو تیم توضیح می دهد: "ما متوجه شدیم که تک قطبی ها باید در دنیای فراکتال زندگی کنند." کلودیو کاستلنوو از دانشگاه کمبریج، "و همانطور که همیشه فرض می شد آزادانه در سه بعدی حرکت نمی کند." او می افزاید برای دقیق تر بودن، پیکربندی اسپین ها یک شبکه پویا ایجاد می کند که به صورت فراکتال منشعب می شود و تک قطبی ها در امتداد آن حرکت می کنند (شکل را ببینید).

برای توضیح این رفتار، محققان به یک مدل ریاضی اشاره کردند که نحوه پرش تک قطبی ها به لطف تونل زدن کوانتومی اسپین های مغناطیسی را توصیف می کند. آنها دریافتند که دو مقیاس زمانی بسیار متفاوت وجود دارد که یک تک قطبی می تواند این کار را انجام دهد. نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: «رویداد تونل زنی اسپین در کدام مقیاس زمانی اتفاق می‌افتد، بستگی به پیکربندی چرخش‌های مجاور دارد. جاناتان نیلسون هالن. مشخص شد که طولانی‌تر از دو مقیاس زمانی مختلف تونل‌زنی بسیار بزرگ‌تر از کوتاه‌تر است. بنابراین، پرش‌های تک قطبی که در بازه‌های زمانی طولانی‌تر اتفاق می‌افتند را می‌توان نادیده گرفت.»

خوشه ها فراکتال ها را تشکیل می دهند

هنگامی که محققان این را محاسبه کردند و تعداد معمولی هاپ های باقی مانده برای یک تک قطبی را محاسبه کردند، دریافتند که سیستم در نزدیکی یک نقطه بحرانی قرار دارد که در آن میانگین تعداد حرکت های موجود برای یک تک قطبی در هر مکان، همان حرکتی است که خوشه های فراکتال ایجاد می کند. . آنها در شبیه سازی های خود، مکان هایی را ترسیم کردند که هر تک قطبی می تواند به آن برسد و نشان داد که این خوشه ها در واقع فراکتال هایی را که پیش بینی کرده بودند تشکیل می دهند.

هالن می‌گوید مطالعه تک‌قطبی‌ها در یخ‌های اسپین به این روش می‌تواند برای بسیاری از کاربردها مهم باشد. او می‌گوید: «یخ‌های چرخشی یکی از در دسترس‌ترین نمونه‌های آهن‌رباهای توپولوژیکی هستند و تک قطبی‌های مغناطیسی در یخ‌های اسپین یکی از بهترین نمونه‌های قابل درک از برانگیختگی‌های کسری هستند». دنیای فیزیک. "مواد توپولوژیکی تا به امروز یکی از شدیدترین زمینه های تحقیق شده در فیزیک ماده متراکم باقی مانده است، و این امید وجود دارد که پدیده های هیجان انگیزی که این مواد نمایش می دهند برای کاربردهایی مانند مغناطیسی کالری، اسپینترونیک، ذخیره سازی اطلاعات و محاسبات کوانتومی مفید باشد."

تک قطبی های مغناطیسی در یخ های چرخشی مصنوعی ظاهر می شوند

هالن خاطرنشان می کند که شواهدی از رفتار دینامیکی غیرمعمول در یخ های چرخشی بیش از دو دهه است که انباشته شده است. با توجه به این شواهد فزاینده، او پیشنهاد می‌کند که مدت زمانی که برای کشف فراکتال‌های دینامیکی در یخ‌های چرخشی طول کشید، به وضوح نشان می‌دهد که ما از درک رفتار بارهای کسری، مانند تک قطبی‌های مغناطیسی، در همان سطحی که بارهای معمولی را می‌فهمیم، فاصله داریم. مانند الکترون های یک فلز. او می‌گوید: «ظرفیت یخ‌های چرخشی برای نشان دادن چنین پدیده‌های خیره‌کننده‌ای ما را به اکتشافات شگفت‌انگیز بیشتر در دینامیک همکاری حتی سیستم‌های چند جسمی ساده توپولوژیکی امیدوار می‌کند.

محققان اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه سایر خواص یخ های اسپین ممکن است تحت تأثیر فراکتال های دینامیکی قرار گیرند. هالن می گوید: «به ویژه، ما امیدواریم با گروه های آزمایشی برای یافتن شواهد بیشتری از این رفتار کار کنیم. ما همچنین به‌طور فعال در حال جستجوی سیستم‌های دیگری هستیم که ممکن است محدودیت‌های دینامیکی مشابهی در آن‌ها ظاهر شود، و قصد داریم به طور گسترده‌تر دامنه تأثیراتی را که ممکن است ایجاد کنند، بررسی کنیم.»

آنها جزئیات کار فعلی خود را در علم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/