Gheața de spin are rețele cristaline care constau din tetraedre de ioni magnetici. Într-o stare fundamentală, două dintre cele patru rotiri de pe fiecare tetraedru indică înăuntru și două indică. Când se creează o excitație numită monopol magnetic, această regulă este încălcată pe măsură ce monopolul se mișcă prin cristal. Dinamica monopolului este reflectată în cantități precum zgomotul magnetic, ale cărui măsurători au arătat o dependență de frecvență diferită de cea pe care o prezice cel mai simplu model.
Într-un nou studiu, oamenii de știință de la Universitatea din Cambridge, Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe, Universitatea din Tennessee și Universidad Nacional de La Plata au identificat un fractal dinamic emergent într-un cristal magnetic fără tulburări, stoichiometrice și tridimensional în echilibru termodinamic. Ei au descoperit acest nou tip fractal într-o clasă de materiale numită rotește gheața.
Noutatea se datorează a doi factori. În primul rând, comportamentul fractal este de obicei indus de dezordine, în timp ce fenomenele apar într-un cristal tridimensional clar, fără cusur. În al doilea rând, principiile neobișnuite care guvernează evoluția temporală a magnetizării în aceste sisteme dau naștere fractalilor în gheața spin. Aceste caracteristici au condus la inventarea termenului „fractal dinamic emergent”.
Structura topologică particulară a rotește materialele de gheațăproprietățile magnetice și capacitatea lor de a susține excitațiile monopolului magnetic emergente le-au făcut să iasă în evidență în anii precedenți. Un model fractal apare pentru prima dată în majoritatea unui cristal perfect fără dezordine. Acest lucru este cauzat de dinamica acestor monopoli magnetici și de interacțiunea lor cu structura cristalină.
În termeni mai tehnici, un proces mecanic cuantic care depinde de starea magnetică a atomilor adiacenți susține regulile dinamice care ghidează mișcarea monopolului în gheața de spin. Procedura a fost implementată în simulări computerizate extinse, iar rezultatele au fost contrastate cu observațiile experimentale de înaltă rezoluție făcute la temperaturi mici. Fractalii nu pot fi găsiți prin măsurători ale atributelor statice, deoarece sunt de natură dinamică. Cu toate acestea, ele generează un semnal distinctiv măsurabil în răspunsul și variațiile magnetizare.
Jonathan N. Hallén, primul autor și actual Ph.D. student la Laboratorul Cavendish, a spus: „Într-adevăr, semnăturile acestor fractali au fost observate în experimente, unele datând cu aproape două decenii în urmă și au rămas prost înțelese până în prezent. Pe lângă interesul general și curiozitatea științifică a descoperirilor noastre, explicăm astfel și câteva rezultate uluitoare care au provocat comunitatea științifică.”
„Va fi interesant să vedem ce alte proprietăți ale acestor materiale pot fi prezise sau explicate în lumina noii înțelegeri oferite de munca noastră. Capacitatea gheții de spin de a prezenta astfel de fenomene uimitoare deține promisiunea unor descoperiri surprinzătoare ulterioare în dinamica cooperativă chiar și a sistemelor topologice simple cu mai multe corpuri.”
Profesorul Claudio Castelnovo, Teoria fizicii materiei condensate, Laboratorul Cavendish, a spus, „Se poate întreba dacă relaxarea lentă observată în aceste sisteme – care decurge din comportamentul fractal dinamic emergent – poate fi folosită pentru a propune o posibilă nouă paradigmă pentru apariția sticlozității în sistemele fără tulburare.”
Referința jurnalului:
- Jonathan Hallen și colab. Fractal dinamic și zgomot anormal într-un cristal magnetic curat. Ştiinţă. DOI: 10.1126/science.add1644
