Jenis fraktal baru muncul di spin ice

Jenis fraktal baru telah muncul secara tak terduga di kelas magnet yang dikenal sebagai spin ices. Fraktal baru, yang diamati dalam kristal tiga dimensi bersih dari dysprosium titanate (Dy₂Ti₂O₇), tampaknya berasal dari eksitasi monopole magnetik pada material, dan dapat diterapkan pada magnetocalorics, spintronics, penyimpanan informasi, dan komputasi kuantum.

Fraktal ada di mana-mana di alam dan ada dalam berbagai skala, dari makro hingga nano. Contoh sehari-hari mencakup kepingan salju, jaringan pembuluh darah, pemandangan pegunungan, dan garis pantai. Untuk memenuhi syarat sebagai fraktal, suatu objek harus memiliki struktur geometris hierarkis dengan pola dasar yang berulang pada ukuran yang semakin kecil, bercabang menjadi pola yang lebih sempit yang merupakan versi lebih kecil dari pola utama.

Jenis fraktal yang benar-benar baru

Sebuah tim di University of Cambridge, yang Institut Max Planck untuk Fisika Sistem Kompleks di Dresden, Universitas Tennessee di AS dan Universidad Nacional de La Plata di Argentina kini telah menemukan jenis fraktal yang benar-benar baru dalam spin ice tiga dimensi yang bersih. Nama “spin ices” berasal dari fakta bahwa pada material ini, gangguan momen magnet (atau putaran) pada suhu rendah sama persis dengan gangguan proton pada air es. Secara struktural, es spin mengandung momen ion tanah jarang yang menempati sudut-sudut pola tetrahedral, dan batasan lokal berarti bahwa momen-momen ini mematuhi “aturan es”: dua momen mengarah ke dalam tetrahedron dan dua momen mengarah ke luar tetrahedron.

Pada suhu sedikit di atas nol kelvin, kristal berputar membentuk cairan magnetis. Sejumlah kecil energi panas kemudian menyebabkan pecahnya aturan es di sejumlah kecil lokasi, dan kutub utara dan selatan membentuk putaran terbalik yang terpisah satu sama lain. Pada titik ini, mereka berperilaku seolah-olah mereka adalah monopole magnet yang independen.

Hidup di dunia fraktal

“Kami menyadari bahwa monopole pasti hidup di dunia fraktal,” jelas anggota tim Claudio Castelnovo dari Universitas Cambridge, “dan tidak bergerak bebas dalam tiga dimensi seperti yang selalu diasumsikan.” Lebih tepatnya, tambahnya, konfigurasi putaran menciptakan jaringan dinamis yang bercabang sebagai fraktal, dan monopole bergerak di sepanjang jaringan tersebut (lihat gambar).

Untuk menjelaskan perilaku ini, para peneliti merujuk pada model matematika yang menggambarkan bagaimana monopole melompat berkat terowongan kuantum dari putaran magnet. Mereka menemukan bahwa ada dua skala waktu yang sangat berbeda di mana monopole dapat melakukan hal ini. “Skala waktu terjadinya peristiwa terowongan putaran tertentu bergantung pada konfigurasi putaran di sekitarnya,” kata penulis utama studi tersebut. Jonathan Nilsson Hallen. “Menjadi jelas bahwa jangka waktu terowongan yang lebih panjang dari dua rentang waktu yang berbeda jauh lebih besar dibandingkan jangka waktu yang lebih pendek. Oleh karena itu, lompatan monopole yang terjadi dalam rentang waktu yang lebih lama dapat diabaikan.”

Cluster membentuk fraktal

Ketika para peneliti memperhitungkan hal ini dan menghitung jumlah sisa lompatan yang tersedia untuk monopole, mereka menemukan bahwa sistem tersebut berada di dekat titik kritis di mana jumlah rata-rata pergerakan yang tersedia untuk monopole di setiap lokasi adalah yang menghasilkan cluster fraktal. . Dalam simulasinya, mereka memetakan lokasi yang dapat dijangkau oleh masing-masing monopole dan menunjukkan bahwa cluster ini memang membentuk fraktal yang mereka prediksi.

Mempelajari monopole pada es dengan cara ini mungkin penting untuk sejumlah aplikasi, kata Hallén. “Spin ice adalah salah satu contoh magnet topologi yang paling mudah diakses dan monopole magnetik pada spin ice adalah salah satu contoh eksitasi terfraksinasi yang paling mudah dipahami,” katanya. Dunia Fisika. “Materi topologi hingga saat ini tetap menjadi salah satu bidang fisika benda terkondensasi yang paling banyak diteliti, dan ada harapan bahwa fenomena menarik yang ditampilkan material ini akan terbukti berguna untuk aplikasi seperti magnetocalorics, spintronics, penyimpanan informasi dan komputasi kuantum.”

Monopole magnet muncul di es spin buatan

Hallén mencatat bahwa bukti perilaku dinamis yang tidak biasa pada es telah terakumulasi selama lebih dari dua dekade. Mengingat banyaknya bukti yang ada, ia berpendapat bahwa lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menemukan fraktal dinamis di spin ice jelas menunjukkan bahwa kita masih jauh dari memahami perilaku muatan yang terfraksinasi, seperti monopole magnet, pada tingkat yang sama dengan memahami muatan konvensional. seperti elektron dalam logam. “Kemampuan spin ice untuk menunjukkan fenomena yang begitu menakjubkan membuat kita berharap akan adanya penemuan mengejutkan lebih lanjut dalam dinamika kooperatif bahkan pada sistem topologi banyak benda yang sederhana,” katanya.

Para peneliti sekarang sedang menyelidiki bagaimana sifat-sifat lain dari spin ice dapat dipengaruhi oleh fraktal dinamis. “Secara khusus, kami berharap dapat bekerja sama dengan kelompok eksperimen untuk menemukan bukti lebih lanjut mengenai perilaku ini,” kata Hallén. “Kami juga secara aktif mencari sistem lain yang mungkin memiliki kendala dinamis serupa, dan kami berencana untuk menyelidiki secara lebih luas berbagai dampak yang mungkin ditimbulkannya.”

Mereka merinci pekerjaan mereka saat ini Ilmu.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/