W spin lodach pojawia się nowy rodzaj fraktali

Nowy rodzaj fraktali pojawił się nieoczekiwanie w klasie magnesów znanych jako lody spinowe. Nowe fraktale, które zaobserwowano w czystych, trójwymiarowych kryształach tytanianu dysprozu (Dy₂Ti₂O₇), wydają się pochodzić ze wzbudzenia monopoli magnetycznych w materiale i mogą mieć zastosowanie w magnetokaloryce, spintronice, przechowywaniu informacji i komputerach kwantowych.

Fraktale są wszechobecne w przyrodzie i istnieją w wielu skalach, od makro do nano. Codzienne przykłady obejmują płatki śniegu, sieci naczyń krwionośnych, górskie krajobrazy i wybrzeża. Aby zakwalifikować się jako fraktal, obiekt musi mieć hierarchiczną strukturę geometryczną z podstawowym wzorem, który powtarza się w coraz mniejszych rozmiarach, rozgałęziając się na węższe wzory, które są mniejszymi wersjami głównego.

Całkowicie nowy typ fraktali

Zespół w University of CambridgeThe Max Planck Instytut Fizyki Układów Złożonych w Dreźnie, na Uniwersytecie Tennessee w USA oraz Universidad Nacional de La Plata w Argentynie odkrył teraz zupełnie nowy rodzaj fraktali w czystych, trójwymiarowych lodach wirujących. Nazwa „lody spinowe” wzięła się stąd, że w tych materiałach nieuporządkowanie momentów magnetycznych (lub spinów) w niskich temperaturach jest dokładnie takie samo, jak nieuporządkowanie protonów w lodzie wodnym. Strukturalnie rzecz biorąc, lody spinowe zawierają momenty jonów metali ziem rzadkich, które zajmują rogi czworościennego wzoru, a lokalne ograniczenia oznaczają, że te momenty podlegają „zasadom lodu”: dwa z nich wskazują na czworościan, a dwa na zewnątrz.

W temperaturach nieco powyżej zera kelwinów kryształ wirując tworzy ciecz magnetyczną. Niewielkie ilości energii cieplnej powodują następnie pękanie zasad lodu w niewielkiej liczbie miejsc, a bieguny północny i południowy tworzące odwrócone spiny oddzielają się od siebie. W tym momencie zachowują się tak, jakby były niezależnymi monopolami magnetycznymi.

Życie w świecie fraktali

„Zdaliśmy sobie sprawę, że monopole muszą żyć w świecie fraktali” — wyjaśnia członek zespołu Klaudio Castelnovo z University of Cambridge, „i nie poruszając się swobodnie w trzech wymiarach, jak zawsze zakładano”. Mówiąc ściślej, dodaje, konfiguracje spinów stworzyły dynamiczną sieć, która rozgałęziała się jak fraktal, a monopole poruszały się wzdłuż niej (patrz rysunek).

Aby wyjaśnić to zachowanie, naukowcy odnieśli się do modelu matematycznego, który opisuje, w jaki sposób monopole podskakują dzięki kwantowemu tunelowaniu spinów magnetycznych. Odkryli, że istnieją dwie bardzo różne skale czasowe, w których monopolista może to zrobić. „To, w jakich skalach czasowych zachodzi określone zdarzenie tunelowania spinowego, zależy od konfiguracji sąsiednich spinów” – mówi główny autor badania Jonathana Nilssona Hallena. „Stało się jasne, że dłuższy z dwóch różnych skal czasowych tunelowania jest znacznie dłuższy niż krótszy. Skoki monopolistyczne występujące w dłuższych ramach czasowych można zatem zignorować.

Klastry tworzą fraktale

Kiedy naukowcy to uwzględnili i obliczyli typową liczbę pozostałych przeskoków dostępnych dla monopolu, odkryli, że system znajduje się w pobliżu punktu krytycznego, w którym średnia liczba ruchów dostępnych dla monopolu w każdym miejscu jest tą, która generuje klastry fraktalne . W swoich symulacjach nakreślili miejsca, do których może dotrzeć każdy monopol i wykazali, że te gromady rzeczywiście tworzą przewidywane przez nich fraktale.

Badanie monopoli w lodach spinowych w ten sposób może być ważne dla wielu zastosowań, mówi Hallén. „Lody spinowe są jednym z najbardziej dostępnych przykładów magnesów topologicznych, a monopole magnetyczne w lodach spinowych są jednym z najlepiej poznanych przykładów ułamkowych wzbudzeń” – mówi. Świat Fizyki. „Materiały topologiczne pozostają do tej pory jednym z najintensywniej badanych obszarów fizyki materii skondensowanej i istnieje nadzieja, że ​​ekscytujące zjawiska, które wykazują te materiały, okażą się przydatne w zastosowaniach takich jak magnetokaloryka, spintronika, przechowywanie informacji i obliczenia kwantowe”.

Monopole magnetyczne pojawiają się w sztucznym lodzie wirującym

Hallén zauważa, że ​​dowody na niezwykłe dynamiczne zachowanie lodów wirujących gromadzą się od ponad dwóch dekad. Biorąc pod uwagę tę rosnącą ilość dowodów, sugeruje, że czas potrzebny do odkrycia dynamicznych fraktali w lodzie spinowym wyraźnie pokazuje, że jesteśmy dalecy od zrozumienia zachowania ułamkowych ładunków, takich jak monopole magnetyczne, na tym samym poziomie, na jakim rozumiemy konwencjonalne ładunki jak elektrony w metalu. „Zdolność lodów wirujących do wykazywania tak uderzających zjawisk daje nam nadzieję na dalsze zaskakujące odkrycia w dynamice współpracy nawet prostych topologicznych układów wielociałowych” – mówi.

Naukowcy badają teraz, w jaki sposób dynamiczne fraktale mogą wpływać na inne właściwości lodów wirowych. „W szczególności mamy nadzieję na współpracę z grupami eksperymentalnymi w celu znalezienia dalszych dowodów na to zachowanie”, mówi Hallén. „Aktywnie poszukujemy również innych układów, w których mogą pojawić się podobne ograniczenia dynamiczne i planujemy szerzej zbadać zakres skutków, jakie mogą powodować”.

Szczegółowo opisują swoją obecną pracę w nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/