น้ำแข็งหมุนมีโครงผลึกที่ประกอบด้วยไอออนแม่เหล็กจัตุรมุข ในสถานะพื้น สองในสี่การหมุนของแต่ละจัตุรมุขชี้เข้าและอีกสองชี้ออก เมื่อมีการกระตุ้นที่เรียกว่าโมโนโพลแม่เหล็กถูกสร้างขึ้น กฎนี้จะถูกละเมิดเมื่อโมโนโพลเคลื่อนที่ผ่านคริสตัล ไดนามิกของโมโนโพลจะสะท้อนให้เห็นในปริมาณต่างๆ เช่น สัญญาณรบกวนแม่เหล็ก ซึ่งการวัดนี้แสดงให้เห็นการพึ่งพาความถี่ที่แตกต่างจากความถี่ที่แบบจำลองที่ง่ายที่สุดทำนายไว้
ในการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ที่ สถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อน มหาวิทยาลัยเทนเนสซี และ Universidad Nacional de La Plata ระบุแฟร็กทัลไดนามิกที่เกิดขึ้นในคริสตัลแม่เหล็กสามมิติที่ปราศจากความผิดปกติ ปริมาณสัมพันธ์ และสามมิติในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ พวกเขาค้นพบแฟร็กทัลประเภทใหม่นี้ในประเภทวัสดุที่เรียกว่า หมุนน้ำแข็ง.
ความแปลกใหม่เกิดจากปัจจัยสองประการ ประการแรก พฤติกรรมแฟร็กทัลมักเกิดจากความผิดปกติ ในขณะที่ปรากฏการณ์เกิดขึ้นในผลึกสามมิติที่ใสไร้ที่ติ ประการที่สอง หลักการที่ผิดปกติซึ่งควบคุมวิวัฒนาการทางโลกของการดึงดูดในระบบเหล่านี้ทำให้เกิดแฟร็กทัลในน้ำแข็งหมุน ลักษณะเหล่านี้นำไปสู่การสร้างคำว่า "emergent dynamical fractal" ขึ้นมา
โครงสร้างทอพอโลยีที่แปลกประหลาดของ หมุนวัสดุน้ำแข็ง' คุณสมบัติของแม่เหล็กและความสามารถในการรองรับการกระตุ้นแบบโมโนโพลแม่เหล็กที่เกิดขึ้นใหม่ได้ทำให้มันโดดเด่นในปีก่อนหน้า รูปแบบเศษส่วนปรากฏในคริสตัลที่สมบูรณ์แบบที่สุดโดยไม่มีความผิดปกติเป็นครั้งแรก สิ่งนี้มีสาเหตุมาจากไดนามิกของโมโนโพลแม่เหล็กเหล่านี้และอันตรกิริยากับโครงสร้างผลึก
ในแง่เทคนิคมากขึ้น กระบวนการทางกลควอนตัมที่ขึ้นอยู่กับสถานะแม่เหล็กของอะตอมที่อยู่ติดกันสนับสนุนกฎไดนามิกที่เป็นแนวทางในการเคลื่อนที่แบบโมโนโพลในสปินน้ำแข็ง ขั้นตอนดังกล่าวถูกนำมาใช้ในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์อย่างกว้างขวาง และผลลัพธ์ที่ได้นั้นแตกต่างกับการสังเกตการทดลองที่มีความละเอียดสูงที่อุณหภูมิตื้น เศษส่วนไม่สามารถหาได้จากการวัดคุณลักษณะคงที่ เนื่องจากมีลักษณะเป็นไดนามิก อย่างไรก็ตาม พวกมันสร้างสัญญาณที่สามารถวัดได้ที่โดดเด่นในการตอบสนองและความแปรผันของ การทำให้เป็นแม่เหล็ก.
Jonathan N. Hallén ผู้เขียนคนแรกและปริญญาเอกคนปัจจุบัน นักศึกษาจากห้องปฏิบัติการคาเวนดิชกล่าวว่า “อันที่จริง มีการสังเกตลายเซ็นของแฟร็กทัลเหล่านี้ในการทดลอง บางส่วนมีอายุย้อนกลับไปเกือบสองทศวรรษที่แล้ว และยังคงเข้าใจได้ไม่ดีจนถึงปัจจุบัน นอกจากความสนใจทั่วไปและความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์ของการค้นพบของเราแล้ว เรายังอธิบายผลลัพธ์ที่น่าสงสัยหลายประการที่ท้าทายชุมชนวิทยาศาสตร์”
“น่าสนใจที่จะเห็นว่าคุณสมบัติอื่นๆ ของวัสดุเหล่านี้สามารถทำนายหรืออธิบายอะไรได้บ้างในแง่ของความเข้าใจใหม่จากงานของเรา ความสามารถของน้ำแข็งหมุนในการแสดงปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งเช่นนี้ถือเป็นการค้นพบที่น่าประหลาดใจเพิ่มเติมในพลวัตความร่วมมือของระบบทอพอโลยีหลาย ๆ วัตถุที่เรียบง่าย”
ศาสตราจารย์ Claudio Castelnovo ทฤษฎีฟิสิกส์สสารควบแน่น ห้องทดลองคาเวนดิช กล่าวว่า, “ใครๆ อาจสงสัยว่าการผ่อนคลายอย่างช้าๆ ที่พบในระบบเหล่านี้ซึ่งเกิดจากพฤติกรรมแฟร็กทัลแบบไดนามิกที่เกิดขึ้น อาจถูกนำมาใช้เพื่อเสนอกระบวนทัศน์ใหม่ที่เป็นไปได้สำหรับการปรากฏตัวของความไร้กระจกในระบบที่ไม่มีความผิดปกติหรือไม่”
การอ้างอิงวารสาร:
- โจนาธาน ฮัลเลน และคณะ แฟร็กทัลแบบไดนามิกและเสียงรบกวนที่ผิดปกติในคริสตัลแม่เหล็กที่สะอาด วิทยาศาสตร์. ดอย: 10.1126/science.add1644
