スピンアイスは磁性イオンの四面体からなる結晶格子を持っています。基底状態では、各四面体の 4 つのスピンのうち 2 つは内側を指し、2 つは外側を指します。磁気単極子と呼ばれる励起が生成されると、単極子が結晶中を移動するため、この規則に違反します。モノポールのダイナミクスは磁気ノイズなどの量に反映され、その測定結果は最も単純なモデルが予測するものとは異なる周波数依存性を示しています。
新しい研究では、 ケンブリッジ大学 マックスプランク研究所 テネシー大学とラプラタ国立大学の複雑系物理学の研究者らは、熱力学的平衡状態にある無秩序で化学量論的な三次元磁性結晶における創発的な動的フラクタルを特定しました。彼らは、この新しいフラクタル タイプを、と呼ばれるマテリアルのクラスで発見しました。 スピンアイス.
この斬新さは 2 つの要因によるものです。まず、フラクタル挙動は通常、無秩序によって引き起こされますが、この現象は透明で完璧な 3 次元結晶で発生します。第二に、これらの系の磁化の時間的発展を支配する異常な原理により、スピンアイスにフラクタルが生じます。これらの特徴により、「創発動的フラクタル」という用語が作られました。
独特の位相構造 スピンアイス素材磁気特性と、新たな磁気単極子の励起をサポートする能力により、それらは近年注目を集めてきました。フラクタルパターンは、乱れのない完璧な結晶のほとんどに初めて現れます。これは、これらの磁気単極子のダイナミクスと結晶構造との相互作用によって引き起こされます。
より専門的な用語で言えば、隣接する原子の磁性状態に依存する量子力学的プロセスは、スピンアイスの単極子の運動を導く力学的な規則をサポートします。この手順は大規模なコンピューター シミュレーションで実行され、その結果は浅い温度で行われた高解像度の実験観察と対比されました。フラクタルは本質的に動的であるため、静的属性の測定では見つけることができません。ただし、それらは、応答と変化において独特の測定可能な信号を生成します。 磁化.
ジョナサン・N・ハレンは筆頭著者であり、現在は博士号を取得しています。キャベンディッシュ研究所の学生はこう言った。 「実際、これらのフラクタルの兆候は実験で観察されており、その一部は20年近く前に遡るものでしたが、現在までほとんど理解されていませんでした。したがって、私たちの発見に対する一般的な関心と科学的好奇心に加えて、科学界に疑問を投げかけているいくつかの不可解な結果についても説明します。」
「私たちの研究によってもたらされた新たな理解に照らして、これらの材料の他の特性がどのように予測または説明されるかを見るのは興味深いでしょう。このような驚くべき現象を示すスピンアイスの能力は、単純なトポロジカル多体系の協調ダイナミクスにおいてもさらに驚くべき発見をもたらす可能性を秘めています。」
Claudio Castelnovo 教授、凝縮物物理理論、キャベンディッシュ研究所 と, 「これらの系で観察されるゆっくりとした緩和（新たに出現した動的フラクタル挙動から生じる）を利用して、無秩序な系におけるガラス質の出現についての新しいパラダイムの可能性を提案できるのではないかと疑問に思う人もいるかもしれません。」
ジャーナルリファレンス：
- ジョナサン・ハレンら。きれいな磁気結晶における動的フラクタルと異常ノイズ。 科学。 DOI： 10.1126/science.add1644
