Nieuw type fractal duikt op in spin-ijs

Een nieuw type fractal is onverwachts verschenen in een klasse magneten die bekend staat als spin-ijs. De nieuwe fractals, die werden waargenomen in schone driedimensionale kristallen van dysprosiumtitanaat (Dy₂Ti₂O₇), lijken afkomstig te zijn van excitaties van magnetische monopolen in het materiaal en zouden toepassingen kunnen hebben in magnetocalorica, spintronica, informatieopslag en kwantumcomputing.

Fractals zijn alomtegenwoordig in de natuur en bestaan ​​op vele schalen, van macro tot nano. Alledaagse voorbeelden zijn sneeuwvlokken, netwerken van bloedvaten, berglandschappen en kustlijnen. Om als fractal te worden aangemerkt, moet een object een hiërarchische geometrische structuur hebben met een basispatroon dat zich in steeds kleinere afmetingen herhaalt en zich vertakt in smallere patronen die kleinere versies zijn van het hoofdpatroon.

Geheel nieuw type fractal

Een team bij de University of Cambridge Max Planck Instituut voor de Fysica van Complexe Systemen in Dresden, de Universiteit van Tennessee in de VS en Universidad Nacional de La Plata in Argentinië heeft nu een geheel nieuw type fractal ontdekt in schone driedimensionale spin-ijsjes. De naam "spin ices" komt van het feit dat in deze materialen de wanorde van magnetische momenten (of spins) bij lage temperaturen precies hetzelfde is als de protonenwanorde in waterijs. Structureel gesproken bevatten spin-ijs zeldzame-aarde-ionenmomenten die de hoeken van een tetraëdrisch patroon bezetten, en lokale beperkingen betekenen dat deze momenten gehoorzamen aan de "ijsregels": twee wijzen in de tetraëder en twee wijzen eruit.

Bij temperaturen net boven nul kelvin vormen de kristalspins een magnetische vloeistof. Kleine hoeveelheden thermische energie zorgen er vervolgens voor dat de ijsregels breken op een klein aantal locaties, en de noord- en zuidpool die de omgedraaide spins vormen, scheiden van elkaar. Op dit punt gedragen ze zich alsof ze onafhankelijke magnetische monopolen zijn.

Leven in een fractale wereld

"We realiseerden ons dat de monopolen in een fractale wereld moeten leven", legt een teamlid uit Claudio Castelnovo van de Universiteit van Cambridge, "en niet vrij bewegen in drie dimensies zoals altijd werd aangenomen." Om preciezer te zijn, voegt hij eraan toe, creëerden de configuraties van de spins een dynamisch netwerk dat zich vertakte als een fractal, en de monopolen bewogen erlangs (zie figuur).

Om dit gedrag te verklaren, verwezen de onderzoekers naar een wiskundig model dat beschrijft hoe monopolen springen dankzij kwantumtunneling van de magnetische spins. Ze ontdekten dat er twee heel verschillende tijdschalen zijn waarop een monopool dit kan doen. "Op welke tijdschalen een specifieke spin-tunneling-gebeurtenis plaatsvindt, hangt af van de configuratie van de naburige spins", zegt hoofdauteur van het onderzoek Jonathan Nilsson Hallen. “Het werd duidelijk dat de langste van de twee verschillende tunneltijdschalen veel groter is dan de kortere. Monopole-hops die plaatsvinden op de langere tijdschalen kunnen daarom worden genegeerd.

Clusters vormen fractals

Toen de onderzoekers hier rekening mee hielden en het typische aantal resterende hops berekenden dat beschikbaar is voor een monopool, ontdekten ze dat het systeem zich in de buurt van een kritiek punt bevindt waarop het gemiddelde aantal bewegingen dat beschikbaar is voor een monopool op elke locatie degene is die fractale clusters genereert. . In hun simulaties brachten ze de locaties in kaart die elke monopool kan bereiken en toonden aan dat deze clusters inderdaad de fractals vormen die ze voorspelden.

Het op deze manier bestuderen van monopolen in spin-ijs kan belangrijk zijn voor tal van toepassingen, zegt Hallén. "Spin-ijs is een van de meest toegankelijke voorbeelden van topologische magneten en magnetische monopolen in spin-ijs zijn een van de best begrepen voorbeelden van gefractioneerde excitaties", vertelt hij. Natuurkunde wereld. "Topologische materialen blijven tot op heden een van de meest intensief onderzochte gebieden van de fysica van de gecondenseerde materie, en er is hoop dat de opwindende verschijnselen die deze materialen vertonen nuttig zullen zijn voor toepassingen zoals magnetocalorica, spintronica, informatieopslag en kwantumcomputing."

Magnetische monopolen verschijnen in kunstmatig spinijs

Hallén merkt op dat het bewijs van ongewoon dynamisch gedrag in spin-ijs zich al meer dan twee decennia ophoopt. Gezien deze toenemende hoeveelheid bewijs suggereert hij dat de tijd die nodig was om dynamische fractals in spinijs te ontdekken duidelijk aantoont dat we het gedrag van gefractioneerde ladingen, zoals magnetische monopolen, nog lang niet op hetzelfde niveau begrijpen als conventionele ladingen. zoals elektronen in een metaal. "Het vermogen van spin-ijs om zulke opvallende verschijnselen te vertonen, stemt ons hoopvol op verdere verrassende ontdekkingen in de coöperatieve dynamiek van zelfs eenvoudige topologische systemen met meerdere lichamen", zegt hij.

De onderzoekers onderzoeken nu hoe de andere eigenschappen van spin-ijs kunnen worden beïnvloed door de dynamische fractals. "We hopen met name samen te werken met experimentele groepen om verder bewijs van dit gedrag te vinden", zegt Hallén. "We zijn ook actief op zoek naar andere systemen waarin vergelijkbare dynamische beperkingen kunnen optreden, en we zijn van plan om de reeks effecten die ze kunnen veroorzaken breder te onderzoeken."

Ze beschrijven hun huidige werk in Wetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/