스핀 아이스에서 새로운 유형의 프랙탈 등장

새로운 유형의 프랙탈이 스핀 아이스로 알려진 자석 종류에 예기치 않게 나타났습니다. 티탄산 디스프로슘(Dy₂Ti₂O₇), 재료의 자기 단극의 여기에서 오는 것으로 보이며 자기 열량, 스핀트로닉스, 정보 저장 및 양자 컴퓨팅에 응용할 수 있습니다.

프랙탈은 본질적으로 유비쿼터스이며 매크로에서 나노에 이르기까지 다양한 규모로 존재합니다. 일상적인 예에는 눈송이, 혈관 네트워크, 산악 지형 및 해안선이 포함됩니다. 프랙탈로 자격을 얻으려면 객체는 크기가 점점 줄어들면서 반복되는 기본 패턴이 있는 계층적 기하학적 구조를 가지고 있어야 하며 기본 패턴의 더 작은 버전인 더 좁은 패턴으로 분기됩니다.

완전히 새로운 유형의 프랙탈

팀에서 캠브리지 대학Walk Through California 프로그램, 드레스덴의 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소, 미국 테네시 대학교 그리고 아르헨티나 나시오날 데 라플라타 대학교 이제 깨끗한 XNUMX차원 스핀 얼음에서 완전히 새로운 유형의 프랙탈을 발견했습니다. "스핀 아이스"라는 이름은 이러한 물질에서 낮은 온도에서 자기 모멘트(또는 스핀)의 장애가 물 얼음의 양성자 장애와 정확히 동일하다는 사실에서 유래되었습니다. 구조적으로 말하자면, 스핀아이스는 사면체 패턴의 모서리를 차지하는 희토류 이온 모멘트를 포함하고 있으며, 국부적 제약은 이러한 모멘트가 "얼음 규칙"을 준수한다는 것을 의미합니다.

XNUMX켈빈 바로 위의 온도에서 크리스탈 스핀은 자성유체를 형성합니다. 소량의 열 에너지로 인해 소수의 사이트에서 얼음 규칙이 깨지고 뒤집힌 스핀을 구성하는 북극과 남극이 서로 분리됩니다. 이 시점에서 그들은 마치 독립적인 자기홀극인 것처럼 행동합니다.

프랙탈 세계에서 살기

"우리는 모노폴이 프랙탈 세계에 살고 있음을 깨달았습니다."라고 팀원은 설명합니다. 클라우디오 카스텔노보 캠브리지 대학에서 "항상 가정했던 것처럼 XNUMX차원에서 자유롭게 움직이지 않습니다." 더 정확히 말하면, 그는 스핀의 구성이 프랙탈로 분기되는 동적 네트워크를 생성하고 모노폴이 이를 따라 이동한다고 덧붙입니다(그림 참조).

이 행동을 설명하기 위해 연구원들은 자기 스핀의 양자 터널링 덕분에 모노폴이 어떻게 도약하는지 설명하는 수학적 모델을 참조했습니다. 그들은 모노폴이 이것을 할 수 있는 두 가지 매우 다른 시간 척도가 있음을 발견했습니다. "특정 스핀 터널링 이벤트가 발생하는 시간 척도는 인접한 스핀의 구성에 따라 다릅니다."라고 연구 수석 저자는 말합니다. 조나단 닐슨 할렌. “두 개의 서로 다른 터널링 시간 척도 중 긴 시간 척도가 짧은 시간 척도보다 훨씬 크다는 것이 분명해졌습니다. 따라서 더 긴 시간 척도에서 발생하는 모노폴 홉은 무시할 수 있습니다.”

클러스터는 프랙탈을 형성합니다.

연구원들이 이를 설명하고 모노폴에 사용할 수 있는 일반적인 남은 홉 수를 계산했을 때 시스템이 각 사이트에서 모노폴에 사용할 수 있는 평균 이동 수가 프랙탈 클러스터를 생성하는 임계점 근처에 있음을 발견했습니다. . 시뮬레이션에서 그들은 각 단극이 도달할 수 있는 사이트를 매핑하고 이러한 클러스터가 실제로 그들이 예측한 프랙탈을 형성한다는 것을 보여주었습니다.

이러한 방식으로 스핀 아이스에서 단극을 연구하는 것은 많은 응용 분야에 중요할 수 있다고 Hallén은 말합니다. "스핀 아이스는 토폴로지 자석의 가장 접근하기 쉬운 사례 중 하나이며 스핀 아이스의 자기 홀극은 분수 여기의 가장 잘 이해되는 예 중 하나입니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계. "위상학 재료는 현재까지 응집 물질 물리학에서 가장 집중적으로 연구된 분야 중 하나로 남아 있으며, 이러한 재료가 표시하는 흥미로운 현상이 자기열량학, 스핀트로닉스, 정보 저장 및 양자 컴퓨팅과 같은 응용 분야에 유용할 것이라는 희망이 있습니다."

인공 스핀 아이스에서 자기 홀극이 나타납니다.

Hallén은 스핀 아이스의 특이한 역학 행동에 대한 증거가 XNUMX년 이상 축적되어 왔다고 지적합니다. 이러한 증가하는 증거를 감안할 때, 그는 스핀 아이스에서 동적 프랙탈을 발견하는 데 걸린 시간이 우리가 기존 전하를 이해하는 것과 동일한 수준에서 자기 홀극과 같은 분할 전하의 동작을 이해하는 것과는 거리가 멀다는 것을 분명히 보여 준다고 제안합니다. 금속의 전자와 같은. "그런 놀라운 현상을 나타내는 스핀 아이스의 능력은 단순한 위상적 다체 시스템의 협동 역학에서 더 놀라운 발견을 할 수 있기를 희망합니다."라고 그는 말합니다.

연구원들은 이제 스핀 아이스의 다른 특성이 동적 프랙탈에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지 조사하고 있습니다. "특히, 우리는 실험 그룹과 협력하여 이러한 행동에 대한 추가 증거를 찾기를 희망합니다."라고 Hallén은 말합니다. "우리는 또한 유사한 동적 제약이 나타날 수 있는 다른 시스템을 적극적으로 찾고 있으며 그들이 일으킬 수 있는 영향의 범위를 더 광범위하게 조사할 계획입니다."

그들은 현재 작업을 자세히 설명합니다. 과학.

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