Спіновий лід має кристалічні решітки, які складаються з тетраедрів магнітних іонів. В основному стані два з чотирьох обертів кожного тетраедра спрямовані всередину і два спрямовані назовні. Коли створюється збудження, яке називається магнітним монополем, це правило порушується, оскільки монополь рухається через кристал. Динаміка монополя відображається в таких величинах, як магнітний шум, вимірювання якого показали різну частотну залежність від тієї, яку передбачає найпростіша модель.
У новому дослідженні вчені з Кембриджський університет, Інститут Макса Планка для фізики складних систем Університету Теннессі та Національного університету Ла-Плати ідентифікували динамічний фрактал, що виникає в невпорядкованому, стехіометричному та тривимірному магнітному кристалі в термодинамічній рівновазі. Вони відкрили цей новий тип фракталів у класі матеріалів під назвою спін льоду.
Новизна зумовлена двома факторами. По-перше, фрактальна поведінка зазвичай викликана безладдям, тоді як явища відбуваються в прозорому, бездоганному тривимірному кристалі. По-друге, незвичайні принципи, які керують тимчасовою еволюцією намагніченості в цих системах, породжують фрактали у спіновому льоду. Ці характеристики призвели до введення терміну «емерджентний динамічний фрактал».
Своєрідна топологічна структура обертові льодові матеріали«магнітні властивості та їхня здатність підтримувати збудження магнітного монополя, що з’являються, виділили їх у попередні роки. У більшості ідеальних кристалів без розладу фрактальний візерунок з’являється вперше. Це викликано динамікою цих магнітних монополів та їх взаємодією з кристалічною структурою.
Говорячи більш технічним терміном, квантово-механічний процес, який залежить від магнітного стану сусідніх атомів, підтримує динамічні правила, що керують монопольним рухом у спіновому льоду. Процедура була реалізована в масштабному комп’ютерному моделюванні, а результати були порівняні з експериментальними спостереженнями високої роздільної здатності, зробленими при низьких температурах. Фрактали неможливо знайти за допомогою вимірювань статичних атрибутів, оскільки вони динамічні за своєю природою. Однак вони генерують характерний вимірюваний сигнал у відповіді та варіаціях намагніченість.
Джонатан Н. Галлен, перший автор і теперішній доктор філософії. студент Кавендішської лабораторії сказав: «Справді, сигнатури цих фракталів спостерігалися в експериментах, деякі з них датувалися майже двадцять років тому, і до цього часу вони залишалися погано вивченими. Окрім загального інтересу та наукової цікавості наших знахідок, ми також пояснюємо кілька загадкових результатів, які викликають наукову спільноту».
«Буде цікаво подивитися, які інші властивості цих матеріалів можна передбачити або пояснити в світлі нового розуміння, отриманого в результаті нашої роботи. Здатність спінового льоду демонструвати такі вражаючі явища обіцяє подальші дивовижні відкриття в кооперативній динаміці навіть простих топологічних систем багатьох тіл».
Професор Клаудіо Кастельново, Теорія фізики конденсованого середовища, Кавендішська лабораторія, сказав, «Можна задатися питанням, чи можна використати повільну релаксацію, що спостерігається в цих системах, яка виникає через динамічну фрактальну поведінку, щоб висунути можливу нову парадигму появи склоподібності в системах без розладу».
Довідка з журналу:
- Джонатан Халлен та ін. Динамічний фрактальний і аномальний шум у чистому магнітному кристалі. наука. DOI: 10.1126/science.add1644
