Un nuovo tipo di frattale emerge negli spin ice

Un nuovo tipo di frattale è apparso inaspettatamente in una classe di magneti noti come spin ice. I nuovi frattali, che sono stati osservati in cristalli tridimensionali puliti di titanato di disprosio (Dy₂Ti₂O₇), sembrano provenire da eccitazioni di monopoli magnetici nel materiale e potrebbero avere applicazioni nella magnetocalorica, nella spintronica, nell'archiviazione delle informazioni e nell'informatica quantistica.

I frattali sono onnipresenti in natura ed esistono su molte scale, dal macro al nano. Esempi quotidiani includono fiocchi di neve, reti di vasi sanguigni, paesaggi montani e coste. Per qualificarsi come frattale, un oggetto deve avere una struttura geometrica gerarchica con uno schema di base che si ripete in dimensioni sempre decrescenti, ramificandosi in schemi più stretti che sono versioni più piccole di quello principale.

Tipo completamente nuovo di frattale

Una squadra al Università di Cambridge, le Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi di Dresda, l’Università del Tennessee negli Stati Uniti e la Universidad Nacional de La Plata in Argentina ha ora scoperto un tipo completamente nuovo di frattale negli spin ice tridimensionali puliti. Il nome “spin ice” deriva dal fatto che in questi materiali il disordine dei momenti magnetici (o spin) a basse temperature è esattamente lo stesso del disordine dei protoni nel ghiaccio d’acqua. Strutturalmente parlando, i ghiacci di spin contengono momenti ionici delle terre rare che occupano gli angoli di uno schema tetraedrico, e i vincoli locali fanno sì che questi momenti obbediscano alle “regole del ghiaccio”: due di essi puntano verso il tetraedro e due puntano verso l’esterno.

A temperature appena sopra lo zero Kelvin, i cristalli ruotano formando un fluido magnetico. Piccole quantità di energia termica causano quindi la rottura delle regole del ghiaccio in un piccolo numero di siti e i poli nord e sud che compongono le rotazioni invertite si separano l’uno dall’altro. A questo punto si comportano come se fossero monopoli magnetici indipendenti.

Vivere in un mondo frattale

"Ci siamo resi conto che i monopoli vivono in un mondo frattale", spiega un membro del team Claudio Castelnova dell’Università di Cambridge, “e non muoversi liberamente in tre dimensioni come si era sempre pensato”. Per essere più precisi, aggiunge, le configurazioni degli spin creavano una rete dinamica che si ramificava come un frattale, e lungo di essa si muovevano i monopoli (vedi figura).

Per spiegare questo comportamento, i ricercatori hanno fatto riferimento a un modello matematico che descrive come i monopoli saltano grazie al tunneling quantistico degli spin magnetici. Hanno scoperto che ci sono due tempi molto diversi in cui un monopolo può fare questo. "La tempistica in cui si verifica uno specifico evento di spin tunneling dipende dalla configurazione degli spin vicini", afferma l'autore principale dello studio Jonathan Nilsson Hallén. “È diventato chiaro che il tempo più lungo dei due diversi tempi di tunneling è molto più lungo di quello più breve. I salti monopolari che si verificano su scale temporali più lunghe possono quindi essere ignorati”.

I cluster formano frattali

Quando i ricercatori hanno tenuto conto di questo e hanno calcolato il numero tipico di salti rimanenti disponibili per un monopolo, hanno scoperto che il sistema si trova vicino a un punto critico in cui il numero medio di mosse disponibili per un monopolo in ciascun sito è quello che genera cluster frattali. . Nelle loro simulazioni, hanno mappato i siti che ciascun monopolo può raggiungere e hanno dimostrato che questi cluster formano effettivamente i frattali da loro previsti.

Studiare i monopoli negli spin ice in questo modo potrebbe essere importante per una serie di applicazioni, afferma Hallén. "Gli spin ice sono uno degli esempi più accessibili di magneti topologici e i monopoli magnetici negli spin ice sono uno degli esempi meglio compresi di eccitazioni frazionate", dice Mondo della fisica. “I materiali topologici rimangono ad oggi una delle aree più intensamente studiate della fisica della materia condensata, e c’è speranza che gli entusiasmanti fenomeni che questi materiali mostrano si dimostreranno utili per applicazioni come la magnetocalorica, la spintronica, l’archiviazione delle informazioni e l’informatica quantistica”.

I monopoli magnetici compaiono nello spin ice artificiale

Hallén osserva che le prove di un comportamento dinamico insolito negli spin ice si sono accumulate per più di due decenni. Dato questo crescente numero di prove, suggerisce che il tempo necessario per scoprire i frattali dinamici nello spin ice dimostra chiaramente che siamo lontani dal comprendere il comportamento delle cariche frazionate, come i monopoli magnetici, allo stesso livello in cui comprendiamo le cariche convenzionali. come gli elettroni in un metallo. "La capacità dei ghiacci di spin di esibire fenomeni così sorprendenti ci fa sperare in ulteriori scoperte sorprendenti nelle dinamiche cooperative anche di semplici sistemi topologici a molti corpi", dice.

I ricercatori stanno ora studiando come le altre proprietà degli spin ice possano essere influenzate dai frattali dinamici. "In particolare, speriamo di lavorare con gruppi sperimentali per trovare ulteriori prove di questo comportamento", afferma Hallén. “Stiamo anche cercando attivamente altri sistemi in cui potrebbero apparire vincoli dinamici simili, e abbiamo intenzione di indagare in modo più ampio sulla gamma di effetti che potrebbero dare origine”.

Descrivono in dettaglio il loro lavoro attuale in Scienze.

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