Ny type fraktal dukker opp i spinneis

En ny type fraktal har dukket opp uventet i en klasse av magneter kjent som spin ices. De nye fraktalene, som ble observert i rene tredimensjonale krystaller av dysprosiumtitanat (Dy₂Ti₂O₇), ser ut til å komme fra eksitasjoner av magnetiske monopoler i materialet, og kan ha anvendelser innen magnetokalori, spintronikk, informasjonslagring og kvanteberegning.

Fraktaler er allestedsnærværende i naturen og finnes i mange skalaer, fra makro til nano. Daglige eksempler inkluderer snøfnugg, nettverk av blodårer, fjelllandskap og kystlinjer. For å kvalifisere som en fraktal, må et objekt ha en hierarkisk geometrisk struktur med et grunnleggende mønster som gjentas i stadig avtagende størrelser, og forgrener seg til smalere mønstre som er mindre versjoner av hovedmønsteret.

Helt ny type fraktal

Et team på University of Cambridgeden Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Dresden, University of Tennessee i USA og Universidad Nacional de La Plata i Argentina har nå oppdaget en helt ny type fraktal i rene tredimensjonale spin-is. Navnet "spinnis" kommer fra det faktum at i disse materialene er forstyrrelsen av magnetiske momenter (eller spinn) ved lave temperaturer nøyaktig den samme som protonforstyrrelsen i vannis. Strukturelt sett inneholder spinniser ionmomenter fra sjeldne jordarter som opptar hjørnene av et tetraedrisk mønster, og lokale begrensninger betyr at disse øyeblikkene overholder "isreglene": to peker inn i tetraederet og to peker ut av det.

Ved temperaturer like over null kelvin danner krystallspinnene en magnetisk væske. Små mengder termisk energi får da isreglene til å bryte på et lite antall steder, og nord- og sørpolene som utgjør de snudde spinnene skiller seg fra hverandre. På dette tidspunktet oppfører de seg som om de var uavhengige magnetiske monopoler.

Å leve i en fraktal verden

"Vi innså at monopolene må leve i en fraktal verden," forklarer teammedlem Claudio Castelnovo fra University of Cambridge, "og ikke beveger seg fritt i tre dimensjoner som alltid har vært antatt." For å være mer presis, legger han til, skapte konfigurasjonene av spinnene et dynamisk nettverk som forgrenet seg som en fraktal, og monopolene beveget seg langs den (se figur).

For å forklare denne oppførselen henviste forskerne til en matematisk modell som beskriver hvordan monopoler hopper takket være kvantetunnelering av magnetspinnene. De fant ut at det er to svært forskjellige tidsskalaer som en monopol kan gjøre dette på. "Hvilke tidsskalaer en spesifikk spinntunnelhendelse skjer på avhenger av konfigurasjonen av nabospinnene," sier studiens hovedforfatter Jonathan Nilsson Hallén. "Det ble klart at den lengre av de to forskjellige tunneltidsskalaene er mye større enn den kortere. Monopolhumle som skjer på lengre tidsskalaer kan derfor ignoreres.»

Klynger danner fraktaler

Da forskerne gjorde rede for dette og beregnet det typiske antallet gjenværende hopp tilgjengelig for en monopol, fant de ut at systemet ligger nær et kritisk punkt der gjennomsnittlig antall bevegelser tilgjengelig for en monopol på hvert sted er den som genererer fraktale klynger . I simuleringene sine kartla de stedene hver monopol kan nå og viste at disse klyngene faktisk danner fraktalene de forutså.

Å studere monopoler i spin ices på denne måten kan være viktig for en rekke bruksområder, sier Hallén. "Spin ices er en av de mest tilgjengelige forekomstene av topologiske magneter, og magnetiske monopoler i spin ices er et av de best forstått eksemplene på fraksjonaliserte eksitasjoner," forteller han Fysikkens verden. "Topologiske materialer er til dags dato fortsatt et av de mest undersøkte områdene innen kondensert materiefysikk, og det er håp om at de spennende fenomenene som disse materialene viser vil vise seg å være nyttige for applikasjoner som magnetokalorikk, spintronikk, informasjonslagring og kvanteberegning."

Magnetiske monopoler vises i kunstig spinneis

Hallén bemerker at bevis på uvanlig dynamisk oppførsel i spinn-is har samlet seg i mer enn to tiår. Gitt denne økende mengden av bevis, antyder han at tiden det tok å oppdage dynamiske fraktaler i spinn-is tydelig viser at vi er langt fra å forstå oppførselen til fraksjonerte ladninger, som magnetiske monopoler, på samme nivå som vi forstår konvensjonelle ladninger. som elektroner i et metall. "Kapasiteten til spinneis til å vise slike slående fenomener gjør oss håpefulle om ytterligere overraskende funn i samarbeidsdynamikken til selv enkle topologiske mangekroppssystemer," sier han.

Forskerne undersøker nå hvordan de andre egenskapene til spinneis kan påvirkes av de dynamiske fraktalene. "Spesielt håper vi å samarbeide med eksperimentelle grupper for å finne ytterligere bevis på denne oppførselen," sier Hallén. "Vi søker også aktivt etter andre systemer der lignende dynamiske begrensninger kan dukke opp, og vi planlegger å undersøke bredere rekkevidden av effekter de kan gi opphav til."

De beskriver sitt nåværende arbeid i Vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/