Un nou tip de fractal apare în gheața de spin

Un nou tip de fractal a apărut în mod neașteptat într-o clasă de magneți cunoscută sub numele de spin ice. Noii fractali, care au fost observați în cristale curate tridimensionale de titanat de disproziu (Dy₂Ti₂O₇), par să provină din excitațiile monopolurilor magnetice din material și ar putea avea aplicații în magnetocalorică, spintronica, stocarea informațiilor și calculul cuantic.

Fractalii sunt omniprezenti în natură și există la multe scale, de la macro la nano. Exemplele de zi cu zi includ fulgi de zăpadă, rețele de vase de sânge, peisaje montane și linii de coastă. Pentru a fi calificat ca fractal, un obiect trebuie să aibă o structură geometrică ierarhică cu un model de bază care se repetă la dimensiuni din ce în ce mai mici, ramificându-se în modele mai înguste care sunt versiuni mai mici ale celui principal.

Tip complet nou de fractal

O echipă la Universitatea din Cambridge, Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe din Dresda, Universitatea din Tennessee din SUA si Universidad Nacional de La Plata din Argentina a descoperit acum un tip complet nou de fractal în gheață de spin tridimensională curată. Denumirea „spin ice” provine de la faptul că, în aceste materiale, dezordinea momentelor magnetice (sau rotații) la temperaturi scăzute este exact aceeași cu tulburarea protonilor din gheața de apă. Din punct de vedere structural, gheața de spin conține momente de ioni de pământ rar care ocupă colțurile unui model tetraedric, iar constrângerile locale înseamnă că aceste momente se supun „regulilor de gheață”: două sunt îndreptate spre tetraedru și două spre exterior.

La temperaturi chiar peste zero kelvin, cristalele învârte formează un fluid magnetic. Cantități mici de energie termică determină apoi ruperea regulilor de gheață într-un număr mic de locuri, iar polii nord și sud care formează roțile inversate se separă unul de celălalt. În acest moment, ei se comportă ca și cum ar fi monopoli magnetici independenți.

Trăind într-o lume fractală

„Ne-am dat seama că monopolurile trebuie să trăiască într-o lume fractală”, explică membrul echipei Claudio Castelnovo de la Universitatea din Cambridge, „și nu se mișcă liber în trei dimensiuni, așa cum sa presupus întotdeauna”. Pentru a fi mai precis, adaugă el, configurațiile roțiilor au creat o rețea dinamică care s-a ramificat ca un fractal, iar monopolurile s-au deplasat de-a lungul ei (vezi figura).

Pentru a explica acest comportament, cercetătorii s-au referit la un model matematic care descrie modul în care monopolii țopăie datorită tunelului cuantic al spinurilor magnetice. Ei au descoperit că există două intervale de timp foarte diferite în care un monopol poate face acest lucru. „Pe ce intervale de timp se întâmplă un anumit eveniment de tunel de rotație depinde de configurația rotirilor învecinate”, spune autorul principal al studiului. Jonathan Nilsson Hallén. „A devenit clar că cel mai lung dintre cele două intervale de timp diferite de tunel este mult mai mare decât cel mai scurt. Prin urmare, hopurile monopolare care au loc pe termene mai lungi pot fi ignorate.”

Clusterele formează fractali

Când cercetătorii au luat în considerare acest lucru și au calculat numărul tipic de hamei rămase disponibile pentru un monopol, ei au descoperit că sistemul se află în apropierea unui punct critic la care numărul mediu de mișcări disponibile pentru un monopol la fiecare loc este cel care generează grupuri fractale. . În simulările lor, au cartografiat locurile pe care le poate ajunge fiecare monopol și au arătat că aceste grupuri formează într-adevăr fractalii pe care i-au prezis.

Studierea monopolurilor din gheața de spin în acest fel ar putea fi importantă pentru o serie de aplicații, spune Hallén. „Gheața de spin este unul dintre cele mai accesibile cazuri de magneți topologici, iar monopolurile magnetice din gheața de spin sunt unul dintre cele mai bine înțelese exemple de excitații fracționate”, spune el. Lumea fizicii. „Materialele topologice rămân până în prezent una dintre cele mai intens cercetate domenii ale fizicii materiei condensate și există speranță că fenomenele interesante pe care le prezintă aceste materiale se vor dovedi utile pentru aplicații precum magnetocalorică, spintronica, stocarea informațiilor și calculul cuantic.”

Monopolurile magnetice apar în gheața artificială de spin

Hallén observă că dovezile unui comportament dinamic neobișnuit în gheața de spin se acumulează de mai bine de două decenii. Având în vedere acest număr tot mai mare de dovezi, el sugerează că timpul necesar pentru a descoperi fractalii dinamici în gheața de spin demonstrează în mod clar că suntem departe de a înțelege comportamentul sarcinilor fracționate, cum ar fi monopolurile magnetice, la același nivel în care înțelegem sarcinile convenționale. cum ar fi electronii dintr-un metal. „Capacitatea gheții de spin de a prezenta astfel de fenomene uimitoare ne face să sperăm în noi descoperiri surprinzătoare în dinamica cooperativă chiar și a sistemelor topologice simple cu mai multe corpuri”, spune el.

Cercetătorii investighează acum modul în care celelalte proprietăți ale gheții de spin pot fi afectate de fractalii dinamici. „În special, sperăm să lucrăm cu grupuri experimentale pentru a găsi dovezi suplimentare ale acestui comportament”, spune Hallén. „De asemenea, căutăm în mod activ alte sisteme în care pot apărea constrângeri dinamice similare și intenționăm să investigăm mai pe larg gama de efecte pe care le pot genera.”

Ei își detaliază lucrarea actuală în Ştiinţă.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/