แฟร็กทัลชนิดใหม่เกิดขึ้นในสปินไอซ์

แฟร็กทัลชนิดใหม่ปรากฏขึ้นโดยไม่คาดคิดในกลุ่มของแม่เหล็กที่เรียกว่าน้ำแข็งหมุน แฟร็กทัลใหม่ซึ่งพบในผลึกสามมิติที่สะอาดของดิสโพรเซียมไททาเนต (Dy₂Ti₂O₇) ดูเหมือนจะมาจากการกระตุ้นของโมโนโพลแม่เหล็กในวัสดุ และอาจมีการใช้งานในแมกนีโตแคลอริกส์ สปินโทรนิกส์ การจัดเก็บข้อมูล และการคำนวณควอนตัม

แฟร็กทัลมีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่งและมีอยู่หลายมาตราส่วนตั้งแต่ระดับมาโครไปจนถึงระดับนาโน ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน ได้แก่ เกล็ดหิมะ โครงข่ายเส้นเลือด ทิวทัศน์ภูเขา และแนวชายฝั่ง เพื่อให้มีคุณสมบัติเป็นแฟร็กทัล วัตถุต้องมีโครงสร้างทางเรขาคณิตแบบลำดับชั้นพร้อมรูปแบบพื้นฐานที่ทำซ้ำในขนาดที่ลดลงเรื่อยๆ แยกออกเป็นรูปแบบที่แคบลงซึ่งเป็นรูปแบบที่เล็กกว่ารูปแบบหลัก

เศษส่วนชนิดใหม่ทั้งหมด

ทีมงานที่ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ที่ สถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อนในเดรสเดน, มหาวิทยาลัยเทนเนสซีในสหรัฐอเมริกา และ Universidad Nacional de La Plata ในอาร์เจนตินา ตอนนี้ได้ค้นพบแฟร็กทัลชนิดใหม่ในน้ำแข็งหมุนสามมิติที่สะอาดหมดจด ชื่อ "น้ำแข็งหมุน" มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าในวัสดุเหล่านี้ ความผิดปกติของโมเมนต์แม่เหล็ก (หรือการหมุน) ที่อุณหภูมิต่ำจะเหมือนกับความผิดปกติของโปรตอนในน้ำแข็ง ตามโครงสร้างแล้ว น้ำแข็งหมุนมีโมเมนต์ไอออนของโลกที่หายากซึ่งครอบครองมุมของรูปแบบจัตุรมุข และข้อจำกัดในท้องถิ่นหมายความว่าโมเมนต์เหล่านี้เป็นไปตาม “กฎน้ำแข็ง”: ทั้งสองชี้ไปที่ทรงจัตุรมุขและอีกสองชี้ออกจากมัน

ที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์เคลวิน ผลึกที่หมุนจะก่อตัวเป็นของไหลแม่เหล็ก พลังงานความร้อนจำนวนเล็กน้อยทำให้กฎน้ำแข็งแตกที่ไซต์จำนวนเล็กน้อย และขั้วเหนือและขั้วใต้จะเกิดการพลิกกลับแยกออกจากกัน ณ จุดนี้ พวกมันทำตัวราวกับว่าพวกมันเป็นโมโนโพลแม่เหล็กที่เป็นอิสระ

อาศัยอยู่ในโลกเศษส่วน

“เราตระหนักว่าโมโนโพลต้องอาศัยอยู่ในโลกเศษส่วน” สมาชิกในทีมอธิบาย เคลาดิโอ คาสเตลโนโว จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ “และไม่ได้เคลื่อนไหวอย่างอิสระในสามมิติดังที่เคยคิดกัน” เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น เขากล่าวเสริมว่า การกำหนดค่าของสปินสร้างเครือข่ายแบบไดนามิกที่แตกแขนงเป็นแฟร็กทัล และโมโนโพลก็เคลื่อนไปตามนั้น (ดูรูป)

เพื่ออธิบายพฤติกรรมนี้ นักวิจัยอ้างถึงแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายว่าโมโนโพลกระโดดได้อย่างไร ต้องขอบคุณการขุดอุโมงค์ควอนตัมของแม่เหล็กหมุน พวกเขาพบว่ามีสองช่วงเวลาที่แตกต่างกันมากซึ่งโมโนโพลสามารถทำได้ “ช่วงเวลาใดที่เหตุการณ์การขุดอุโมงค์หมุนวนเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของสปินข้างเคียง” ผู้เขียนนำการศึกษากล่าว โจนาธาน นิลส์สัน ฮัลเลน. “เป็นที่ชัดเจนว่าระยะเวลาการขุดอุโมงค์ที่ต่างกันทั้งสองแบบที่ยาวกว่านั้นใหญ่กว่าเวลาที่สั้นกว่ามาก การกระโดดแบบโมโนโพลที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ยาวขึ้นจึงสามารถละเลยได้”

กลุ่มรูปแบบเศษส่วน

เมื่อนักวิจัยพิจารณาเรื่องนี้และคำนวณจำนวนปกติของฮอปที่เหลืออยู่สำหรับโมโนโพล พวกเขาพบว่าระบบตั้งอยู่ใกล้กับจุดวิกฤตซึ่งจำนวนเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ที่มีให้โมโนโพลในแต่ละไซต์นั้นเป็นจำนวนที่สร้างกระจุกเศษส่วน . ในการจำลอง พวกเขาทำแผนที่ไซต์ที่โมโนโพลแต่ละอันสามารถเข้าถึงได้ และแสดงให้เห็นว่ากลุ่มเหล่านี้สร้างแฟร็กทัลตามที่คาดการณ์ไว้จริงๆ

การศึกษาโมโนโพลในสปินไอซ์ด้วยวิธีนี้อาจมีความสำคัญต่อการใช้งานที่หลากหลาย Hallén กล่าว “น้ำแข็งหมุนเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่เข้าถึงได้มากที่สุดของแม่เหล็กทอพอโลยี และขั้วแม่เหล็กในน้ำแข็งหมุนเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่เข้าใจได้ดีที่สุดของการกระตุ้นแบบแยกส่วน” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “วัสดุทอพอโลยียังคงเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่มีการวิจัยอย่างเข้มข้นที่สุดเกี่ยวกับฟิสิกส์ของสสารควบแน่น และมีความหวังว่าปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นที่วัสดุเหล่านี้แสดงจะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานเช่น

โมโนโพลแม่เหล็กปรากฏในน้ำแข็งปั่นเทียม

Hallén ตั้งข้อสังเกตว่าหลักฐานของพฤติกรรมไดนามิกที่ผิดปกติในน้ำแข็งหมุนได้สะสมมากว่าสองทศวรรษ จากหลักฐานที่เพิ่มขึ้นนี้ เขาแนะนำว่าระยะเวลาที่ใช้ในการค้นพบแฟร็กทัลแบบไดนามิกในน้ำแข็งหมุนแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเราห่างไกลจากการเข้าใจพฤติกรรมของประจุที่ถูกแยกส่วน เช่น โมโนโพลแม่เหล็ก ในระดับเดียวกับที่เราเข้าใจประจุทั่วไป เช่น อิเล็กตรอนในโลหะ “ความสามารถของสปินไอซ์ในการแสดงปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งเช่นนี้ทำให้เรามีความหวังที่จะค้นพบสิ่งที่น่าประหลาดใจเพิ่มเติมในพลวัตแบบร่วมมือของระบบร่างกายหลายส่วนแบบทอพอโลยีที่เรียบง่าย” เขากล่าว

ขณะนี้นักวิจัยกำลังตรวจสอบว่าคุณสมบัติอื่นๆ ของน้ำแข็งหมุนอาจได้รับผลกระทบจากแฟร็กทัลไดนามิกอย่างไร “โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราหวังว่าจะทำงานร่วมกับกลุ่มทดลองเพื่อค้นหาหลักฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมนี้” Hallen กล่าว “เรากำลังค้นหาระบบอื่นๆ ซึ่งอาจมีข้อ จำกัด แบบไดนามิกที่คล้ายกัน และเราวางแผนที่จะตรวจสอบขอบเขตของผลกระทบที่อาจก่อให้เกิดในวงกว้างมากขึ้น”

พวกเขาให้รายละเอียดเกี่ยวกับงานปัจจุบันของพวกเขาใน วิทยาศาสตร์.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/