Os gelos giratórios têm redes cristalinas que consistem em tetraedros de íons magnéticos. No estado fundamental, dois dos quatro spins de cada tetraedro apontam para dentro e dois apontam para fora. Quando uma excitação chamada monopolo magnético é criada, esta regra é violada à medida que o monopolo se move através do cristal. A dinâmica monopolo é refletida em quantidades como o ruído magnético, cujas medições mostraram uma dependência de frequência diferente daquela que o modelo mais simples prevê.
Em um novo estudo, cientistas da Universidade de Cambridge, Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos, a Universidade do Tennessee e a Universidade Nacional de La Plata identificaram um fractal dinâmico emergente em um cristal magnético tridimensional, livre de desordem e estequiométrico em equilíbrio termodinâmico. Eles descobriram esse novo tipo fractal em uma classe de materiais chamada girar gelo.
A novidade se deve a dois fatores. Primeiro, o comportamento fractal é tipicamente induzido pela desordem, enquanto os fenômenos ocorrem em um cristal tridimensional claro e perfeito. Em segundo lugar, os princípios incomuns que governam a evolução temporal da magnetização nestes sistemas dão origem a fractais no gelo giratório. Essas características levaram à criação do termo “fractal dinâmico emergente”.
A peculiar estrutura topológica de materiais de gelo giratórioAs propriedades magnéticas e sua capacidade de suportar excitações monopolo magnéticas emergentes fizeram com que se destacassem nos anos anteriores. Um padrão fractal aparece na maioria dos cristais perfeitos e sem desordem pela primeira vez. Isto é causado pela dinâmica desses monopolos magnéticos e sua interação com a estrutura cristalina.
Em termos mais técnicos, um processo de mecânica quântica que depende do estado magnético de átomos adjacentes apoia as regras dinâmicas que orientam o movimento monopolo no gelo giratório. O procedimento foi implementado em extensas simulações computacionais, e os resultados foram contrastados com observações experimentais de alta resolução feitas em temperaturas rasas. Os fractais não podem ser encontrados através de medições de atributos estáticos porque são de natureza dinâmica. No entanto, eles geram um sinal mensurável distinto na resposta e nas variações do magnetização.
Jonathan N. Hallén, primeiro autor e atual Ph.D. estudante do Laboratório Cavendish, disse: “De facto, as assinaturas destes fractais foram observadas em experiências, algumas datadas de quase duas décadas atrás, e permaneceram pouco compreendidas até à data. Além do interesse geral e da curiosidade científica das nossas descobertas, explicamos também vários resultados intrigantes que têm desafiado a comunidade científica.”
“Será interessante ver que outras propriedades destes materiais podem ser previstas ou explicadas à luz do novo entendimento fornecido pelo nosso trabalho. A capacidade do gelo giratório de exibir fenômenos tão impressionantes mantém a promessa de novas descobertas surpreendentes na dinâmica cooperativa até mesmo de sistemas topológicos simples de muitos corpos.
Professor Claudio Castelnovo, Teoria da Física da Matéria Condensada, Laboratório Cavendish, dito, “Pode-se perguntar se o relaxamento lento observado nestes sistemas – decorrente do comportamento fractal dinâmico emergente – pode ser usado para propor um possível novo paradigma para o aparecimento de vítreo em sistemas sem a desordem.”
Jornal de referência:
- Jonathan Hallen et al. Fractal dinâmico e ruído anômalo em um cristal magnético limpo. Ciência. DOI: 10.1126/science.add1644
