סוג חדש של פרקטלים מופיע בקרח ספין

סוג חדש של פרקטל הופיע באופן בלתי צפוי במחלקה של מגנטים המכונה קרח ספין. הפרקטלים החדשים, שנצפו בגבישים תלת מימדיים נקיים של דיספרוסיום טיטנאט (Dy₂Ti₂O₇), נראה שהגיעו מעוררות של מונופולים מגנטיים בחומר, ויכולים להיות להם יישומים במגנטו-קלוריות, ספינטרוניקה, אחסון מידע ומחשוב קוונטי.

הפרקטלים נמצאים בכל מקום בטבע וקיימים בקנה מידה רבים, מהמאקרו ועד הננו. דוגמאות יומיומיות כוללות פתיתי שלג, רשתות של כלי דם, נופי הרים וקווי חוף. כדי להתאים כפרקטל, לאובייקט חייב להיות מבנה גיאומטרי היררכי עם תבנית בסיסית שחוזרת על עצמה בגדלים הולכים ופוחתים, ומתפצלת לתבניות צרות יותר שהן גרסאות קטנות יותר של התבנית הראשית.

סוג חדש לגמרי של פרקטלים

צוות ב- אוניברסיטת קיימברידג', ה מכון מקס פלנק לפיזיקה של מערכות מורכבות בדרזדן, אוניברסיטת טנסי בארה"ב ו Universidad Nacional de La Plata בארגנטינה גילתה כעת סוג חדש לגמרי של פרקטלים בקרח ספין תלת מימדי נקי. השם "קרח ספין" נובע מהעובדה שבחומרים אלה, הפרעת המומנטים (או הספינים) המגנטיים בטמפרטורות נמוכות זהה לחלוטין להפרעת הפרוטונים בקרח המים. מבחינה מבנית, קרח ספין מכיל מומנטים נדירים של יוני אדמה שתופסים את הפינות של תבנית טטרהדרלית, ואילוצים מקומיים פירושם שהרגעים הללו מצייתים ל"חוקי הקרח": שניים מצביעים לתוך הטטרהדרון ושניים מצביעים ממנו.

בטמפרטורות מעט מעל אפס קלווין, סיבובי הגביש יוצרים נוזל מגנטי. כמויות קטנות של אנרגיה תרמית גורמות אז לשבירת כללי הקרח במספר קטן של אתרים, והקוטב הצפוני והדרומי המרכיבים את הספינים המתהפכים נפרדים זה מזה. בשלב זה, הם מתנהגים כאילו היו מונופולים מגנטיים עצמאיים.

חיים בעולם פרקטלי

"הבנו שהמונופולים חייבים לחיות בעולם פרקטלי", מסביר חבר הצוות קלאודיו קסטלנובו מאוניברסיטת קיימברידג', "ולא נעים בחופשיות בתלת מימד כפי שתמיד הניחו." ליתר דיוק, הוא מוסיף, תצורות הספינים יצרו רשת דינמית שהסתעפה כפרקטל, והמונופולים נעו לאורכה (ראה איור).

כדי להסביר את ההתנהגות הזו, החוקרים התייחסו למודל מתמטי שמתאר כיצד מונופולים קופצים הודות למנהור קוונטי של הספינים המגנטיים. הם גילו שיש שני לוחות זמנים שונים מאוד שבהם מונופול יכול לעשות זאת. "על אילו לוחות זמנים מתרחש אירוע מנהור ספין ספציפי תלוי בתצורה של הספינים הסמוכים", אומר המחבר הראשי של המחקר ג'ונתן נילסון האלן. "התברר שהזמן הארוך מבין שני לוחות הזמנים השונים של המנהור הוא הרבה יותר גדול מהקצר יותר. לכן ניתן להתעלם מהכשות מונופול המתרחשת בטווחי זמן ארוכים יותר."

אשכולות יוצרים פרקטלים

כאשר החוקרים הביאו זאת בחשבון וחישבו את המספר הטיפוסי של הכשות שנותרו זמין עבור מונופול, הם גילו שהמערכת יושבת ליד נקודה קריטית שבה מספר המהלכים הממוצע הזמינים למונופול בכל אתר הוא זה שיוצר אשכולות פרקטליים . בסימולציות שלהם, הם מיפו את האתרים שכל מונופול יכול להגיע אליהם והראו שהצבירים האלה אכן יוצרים את הפרקטלים שהם חזו.

לימוד מונופולים בקרח ספין בדרך זו יכול להיות חשוב עבור שורה של יישומים, אומר Hallén. "קרח ספין הוא אחד המקרים הנגישים ביותר של מגנטים טופולוגיים ומונופולים מגנטיים בקרח ספין הם אחת הדוגמאות המובנות ביותר לעירורים מפוצלים", הוא אומר עולם הפיזיקה. "חומרים טופולוגיים נותרו עד היום אחד התחומים הנחקרים ביותר בפיזיקת החומר המעובה, ויש תקווה שהתופעות המרגשות שמציגים חומרים אלה יתבררו כשימושיות עבור יישומים כמו מגנטו-קלוריה, ספינטרוניקה, אחסון מידע ומחשוב קוונטי."

מונופולים מגנטיים מופיעים בקרח ספין מלאכותי

Hallén מציין כי עדויות להתנהגות דינמית חריגה בקרח ספין הצטברו כבר יותר משני עשורים. בהתחשב במכלול הראיות ההולך וגובר, הוא מציע שמשך הזמן שנדרש לגלות פרקטלים דינמיים בקרח ספין מראה בבירור שאנו רחוקים מלהבין את התנהגותם של מטענים מפוצלים, כמו מונופולים מגנטיים, באותה רמה שבה אנו מבינים מטענים קונבנציונליים. כגון אלקטרונים במתכת. "היכולת של קרח ספין להציג תופעות בולטות כאלה גורמת לנו לקוות לתגליות מפתיעות נוספות בדינמיקה השיתופית של אפילו מערכות מרובות גוף טופולוגיות פשוטות", הוא אומר.

החוקרים חוקרים כעת כיצד תכונות אחרות של קרח ספין עשויות להיות מושפעות מהפרקטלים הדינמיים. "במיוחד, אנו מקווים לעבוד עם קבוצות ניסוי כדי למצוא עדויות נוספות להתנהגות זו", אומר Hallén. "אנחנו גם מחפשים באופן פעיל אחר מערכות אחרות שבהן עשויים להופיע אילוצים דינמיים דומים, ואנו מתכננים לחקור בצורה רחבה יותר את טווח ההשפעות שהם עלולים להוליד."

הם מפרטים את עבודתם הנוכחית מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/