Gli spin ice hanno reticoli cristallini costituiti da tetraedri di ioni magnetici. Nello stato fondamentale, due dei quattro giri su ciascun tetraedro puntano verso l'interno e due verso l'esterno. Quando viene creata un'eccitazione chiamata monopolo magnetico, questa regola viene violata mentre il monopolo si muove attraverso il cristallo. La dinamica unipolare si riflette in quantità come il rumore magnetico, le cui misurazioni hanno mostrato una dipendenza dalla frequenza diversa da quella prevista dal modello più semplice.
In un nuovo studio, gli scienziati del Università di Cambridge, le Istituto Max Planck per la Fisica dei Sistemi Complessi, l'Università del Tennessee e l'Universidad Nacional de La Plata hanno identificato un frattale dinamico emergente in un cristallo magnetico tridimensionale, stechiometrico e privo di disordini in equilibrio termodinamico. Hanno scoperto questo nuovo tipo di frattale in una classe di materiali chiamata girare i ghiacci.
La novità è dovuta a due fattori. Innanzitutto, il comportamento frattale è tipicamente indotto dal disordine, mentre i fenomeni si verificano in un cristallo tridimensionale chiaro e impeccabile. In secondo luogo, gli insoliti principi che governano l’evoluzione temporale della magnetizzazione in questi sistemi danno origine ai frattali nello spin ice. Queste caratteristiche hanno portato alla coniazione del termine “frattale dinamico emergente”.
La peculiare struttura topologica di far girare i materiali del ghiaccio' le proprietà magnetiche e la loro capacità di supportare le emergenti eccitazioni magnetiche dei monopoli li hanno fatti risaltare negli anni precedenti. Per la prima volta nella maggior parte dei cristalli perfetti e senza disordine appare uno schema frattale. Ciò è causato dalla dinamica di questi monopoli magnetici e dalla loro interazione con la struttura cristallina.
In termini più tecnici, un processo quantomeccanico che dipende dallo stato magnetico degli atomi adiacenti supporta le regole dinamiche che guidano il movimento del monopolo nello spin ice. La procedura è stata implementata in estese simulazioni al computer e i risultati sono stati confrontati con osservazioni sperimentali ad alta risoluzione effettuate a temperature basse. I frattali non possono essere trovati attraverso misurazioni di attributi statici perché sono di natura dinamica. Tuttavia, generano un segnale misurabile distintivo nella risposta e nelle variazioni del magnetizzazione.
Jonathan N. Hallén, il primo autore e attuale Ph.D. studente del Cavendish Laboratory, disse: “In effetti, le tracce di questi frattali erano state osservate in esperimenti, alcuni risalenti a quasi due decenni fa, e fino ad oggi erano rimasti poco compresi. Oltre all’interesse generale e alla curiosità scientifica delle nostre scoperte, spieghiamo anche diversi risultati sconcertanti che hanno messo alla prova la comunità scientifica”.
“Sarà interessante vedere quali altre proprietà di questi materiali potrebbero essere previste o spiegate alla luce delle nuove conoscenze fornite dal nostro lavoro. La capacità dello spin ice di esibire fenomeni così sorprendenti promette ulteriori scoperte sorprendenti nella dinamica cooperativa anche di semplici sistemi topologici a molti corpi”.
Professor Claudio Castelnovo, Teoria della fisica della materia condensata, Laboratorio Cavendish, disse, “Ci si potrebbe chiedere se il lento rilassamento osservato in questi sistemi – derivante dal comportamento dinamico frattale emergente – possa essere utilizzato per proporre un possibile nuovo paradigma per la comparsa della vetrosità nei sistemi senza il disordine”.
Riferimento della Gazzetta:
- Jonathan Hallen et al. Frattale dinamico e rumore anomalo in un cristallo magnetico pulito. Scienze. DOI: 10.1126/science.add1644
