Spinijs heeft kristalroosters die bestaan uit tetraëders van magnetische ionen. In een grondtoestand wijzen twee van de vier spins op elke tetraëder naar binnen en twee naar buiten. Wanneer een excitatie wordt gecreëerd die de magnetische monopool wordt genoemd, wordt deze regel overtreden als de monopool door het kristal beweegt. De dynamiek van de monopolen wordt weerspiegeld in hoeveelheden zoals magnetische ruis, waarvan de metingen een andere frequentieafhankelijkheid hebben laten zien dan degene die het eenvoudigste model voorspelt.
In een nieuwe studie hebben wetenschappers van de University of Cambridge Max Planck Institute voor de Physics of Complex Systems identificeerden de Universiteit van Tennessee en de Universidad Nacional de La Plata een opkomende dynamische fractal in een wanordevrij, stoichiometrisch en driedimensionaal magnetisch kristal in thermodynamisch evenwicht. Ze ontdekten dit nieuwe fractaltype in een klasse materialen genaamd draai ijsjes.
De nieuwigheid is te danken aan twee factoren. Ten eerste wordt fractaal gedrag doorgaans veroorzaakt door wanorde, terwijl de verschijnselen plaatsvinden in een helder, onberispelijk driedimensionaal kristal. Ten tweede geven de ongebruikelijke principes die de temporele evolutie van de magnetisatie in deze systemen bepalen aanleiding tot fractals in spinijs. Deze kenmerken hebben ertoe geleid dat de term ‘opkomende dynamische fractal’ werd bedacht.
De eigenaardige topologische structuur van spin ijs materialen‘ Magnetische eigenschappen en hun vermogen om opkomende magnetische monopoolexcitaties te ondersteunen, hebben ervoor gezorgd dat ze zich de afgelopen jaren hebben onderscheiden. Een fractaal patroon verschijnt voor het eerst in de meeste perfecte kristallen zonder wanorde. Dit wordt veroorzaakt door de dynamiek van deze magnetische monopolen en hun interactie met de kristalstructuur.
In meer technische termen ondersteunt een kwantummechanisch proces dat afhangt van de magnetische toestand van aangrenzende atomen de dynamische regels die de monopoolbeweging in spinijs sturen. De procedure werd geïmplementeerd in uitgebreide computersimulaties en de resultaten werden vergeleken met experimentele waarnemingen met hoge resolutie bij ondiepe temperaturen. De fractals kunnen niet worden gevonden door metingen van statische attributen, omdat ze dynamisch van aard zijn. Ze genereren echter een onderscheidend meetbaar signaal in de respons en variaties van de magnetisatie.
Jonathan N. Hallén, de eerste auteur en huidige Ph.D. student aan het Cavendish Laboratory, zei: “Inderdaad, de handtekeningen van deze fractals waren waargenomen in experimenten, waarvan sommige dateren van bijna twintig jaar geleden, en ze waren tot op heden nog steeds slecht begrepen. Naast het algemene belang en de wetenschappelijke nieuwsgierigheid van onze bevindingen, verklaren we dus ook verschillende raadselachtige resultaten die de wetenschappelijke gemeenschap hebben uitgedaagd.”
“Het zal interessant zijn om te zien welke andere eigenschappen van deze materialen voorspeld of verklaard kunnen worden in het licht van het nieuwe inzicht dat ons werk oplevert. Het vermogen van spinijs om zulke opvallende verschijnselen te vertonen houdt de belofte in van verdere verrassende ontdekkingen in de coöperatieve dynamiek van zelfs eenvoudige topologische veeldeeltjessystemen.”
Professor Claudio Castelnovo, Theorie van de gecondenseerde materie, Cavendish Laboratory, zei, “Je kunt je afvragen of de langzame ontspanning die in deze systemen wordt waargenomen – die voortkomt uit het opkomende dynamische fractale gedrag – kan worden gebruikt om een mogelijk nieuw paradigma naar voren te brengen voor het verschijnen van glazigheid in systemen zonder de stoornis.”
Journal Reference:
- Jonathan Hallen et al. Dynamische fractal en afwijkende ruis in een schoon magnetisch kristal. Wetenschap DOI: 10.1126/wetenschap.add1644
