Un nouveau type de fractale émerge dans les glaces de spin

Un nouveau type de fractale est apparu de manière inattendue dans une classe d'aimants appelés glaces de spin. Les nouvelles fractales, qui ont été observées dans des cristaux tridimensionnels propres de titanate de dysprosium (Dy₂Ti₂O₇), semblent provenir d'excitations de monopôles magnétiques dans le matériau, et pourraient avoir des applications en magnétocalorique, en spintronique, en stockage d'informations et en informatique quantique.

Les fractales sont omniprésentes dans la nature et existent à de nombreuses échelles, de la macro à la nano. Les exemples quotidiens incluent les flocons de neige, les réseaux de vaisseaux sanguins, les paysages de montagne et les côtes. Pour être considéré comme une fractale, un objet doit avoir une structure géométrique hiérarchique avec un motif de base qui se répète à des tailles toujours décroissantes, se ramifiant en motifs plus étroits qui sont des versions plus petites du motif principal.

Un tout nouveau type de fractale

Une équipe au l'Université de Cambridge, Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, l'Université du Tennessee aux États-Unis et par Universidad Nacional de La Plata en Argentine a découvert un tout nouveau type de fractale dans des glaces de spin tridimensionnelles propres. Le nom de « glaces de spin » vient du fait que dans ces matériaux, le désordre des moments magnétiques (ou spins) à basse température est exactement le même que le désordre des protons dans la glace d'eau. Structurellement parlant, les glaces de spin contiennent des moments d'ions de terres rares qui occupent les coins d'un motif tétraédrique, et des contraintes locales signifient que ces moments obéissent aux «règles de la glace»: deux d'entre eux pointent vers le tétraèdre et deux en sortent.

À des températures juste au-dessus de zéro kelvin, les spins du cristal forment un fluide magnétique. De petites quantités d'énergie thermique provoquent alors la rupture des règles de glace sur un petit nombre de sites, et les pôles nord et sud constituant les spins inversés se séparent l'un de l'autre. À ce stade, ils se comportent comme s'ils étaient des monopôles magnétiques indépendants.

Vivre dans un monde fractal

"Nous avons réalisé que les monopoles devaient vivre dans un monde fractal", explique un membre de l'équipe Claudio Castelnovo de l'Université de Cambridge, "et ne se déplaçant pas librement en trois dimensions comme on l'avait toujours supposé." Pour être plus précis, ajoute-t-il, les configurations des spins ont créé un réseau dynamique qui s'est ramifié comme une fractale, et les monopôles se sont déplacés le long de celui-ci (voir figure).

Pour expliquer ce comportement, les chercheurs se sont référés à un modèle mathématique qui décrit comment les monopôles sautent grâce à l'effet tunnel quantique des spins magnétiques. Ils ont découvert qu'il existe deux échelles de temps très différentes sur lesquelles un monopole peut le faire. "Les échelles de temps sur lesquelles un événement de tunnel de spin spécifique se produit dépendent de la configuration des spins voisins", explique l'auteur principal de l'étude. Jonathan Nilsson Hallen. « Il est devenu clair que la plus longue des deux échelles de temps de tunnelisation est beaucoup plus longue que la plus courte. Les sauts monopolistiques qui se produisent sur des échelles de temps plus longues peuvent donc être ignorés.

Les grappes forment des fractales

Lorsque les chercheurs en ont tenu compte et ont calculé le nombre typique de sauts restants disponibles pour un monopole, ils ont découvert que le système se situe près d'un point critique auquel le nombre moyen de mouvements disponibles pour un monopole sur chaque site est celui qui génère des grappes fractales. . Dans leurs simulations, ils ont cartographié les sites que chaque monopole peut atteindre et ont montré que ces amas forment bien les fractales qu'ils ont prédites.

Étudier les monopôles dans les glaces de spin de cette manière pourrait être important pour une foule d'applications, dit Hallén. "Les glaces de spin sont l'un des exemples les plus accessibles d'aimants topologiques et les monopôles magnétiques dans les glaces de spin sont l'un des exemples les mieux compris d'excitations fractionnées", a-t-il déclaré. Monde de la physique. "Les matériaux topologiques restent à ce jour l'un des domaines les plus étudiés de la physique de la matière condensée, et il y a de l'espoir que les phénomènes passionnants que ces matériaux présentent se révéleront utiles pour des applications telles que la magnétocalorique, la spintronique, le stockage d'informations et l'informatique quantique."

Des monopôles magnétiques apparaissent dans la glace de spin artificielle

Hallén note que les preuves d'un comportement dynamique inhabituel dans les glaces de spin s'accumulent depuis plus de deux décennies. Compte tenu de cet ensemble de preuves, il suggère que le temps qu'il a fallu pour découvrir des fractales dynamiques dans la glace de spin démontre clairement que nous sommes loin de comprendre le comportement des charges fractionnées, comme les monopôles magnétiques, au même niveau que nous comprenons les charges conventionnelles. comme les électrons dans un métal. "La capacité des glaces de spin à présenter des phénomènes aussi frappants nous fait espérer d'autres découvertes surprenantes dans la dynamique coopérative de systèmes topologiques à plusieurs corps, même simples", dit-il.

Les chercheurs étudient actuellement comment les autres propriétés des glaces de spin peuvent être affectées par les fractales dynamiques. "En particulier, nous espérons travailler avec des groupes expérimentaux pour trouver d'autres preuves de ce comportement", déclare Hallén. "Nous recherchons également activement d'autres systèmes dans lesquels des contraintes dynamiques similaires peuvent apparaître, et nous prévoyons d'étudier plus largement la gamme d'effets qu'ils peuvent engendrer."

Ils détaillent leur travail actuel dans Sciences.

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• La source: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/