У спінових льодах з’являється новий тип фракталів

У класі магнітів, відомих як спінові льоди, несподівано з’явився новий тип фракталів. Нові фрактали, які спостерігалися в чистих тривимірних кристалах титанату диспрозію (Dy₂Ti₂O₇), здається, походять від збуджень магнітних монополів у матеріалі та можуть мати застосування в магнітокалориці, спінтроніці, зберіганні інформації та квантових обчисленнях.

Фрактали всюдисущі в природі та існують у багатьох масштабах, від макро до нано. Повсякденні приклади включають сніжинки, мережі кровоносних судин, гірські пейзажі та узбережжя. Щоб кваліфікуватись як фрактал, об’єкт повинен мати ієрархічну геометричну структуру з основним візерунком, який повторюється в постійно зменшуваних розмірах, розгалужуючись на більш вузькі візерунки, які є меншими версіями основного.

Абсолютно новий тип фрактала

Команда в Кембриджський університет, Інститут фізики складних систем Макса Планка в Дрездені, Університет Теннессі в США і Національний університет Ла-Плата в Аргентині тепер виявив абсолютно новий тип фракталів у чистих тривимірних спінових льодах. Назва «спіновий лід» походить від того факту, що в цих матеріалах розлад магнітних моментів (або спінів) при низьких температурах точно такий же, як протонний розлад у водяному льоду. Структурно кажучи, спінові льоди містять моменти рідкоземельних іонів, які займають кути тетраедричного візерунка, і локальні обмеження означають, що ці моменти підкоряються «правилам льоду»: два з них спрямовані всередину тетраедра, а два — поза ним.

При температурах трохи вище нуля Кельвіна обертання кристала утворює магнітну рідину. Невеликі кількості теплової енергії потім спричиняють порушення правил льоду в невеликій кількості місць, і північний і південний полюси, що утворюють перевернуті оберти, відокремлюються один від одного. У цей момент вони поводяться так, ніби вони є незалежними магнітними монополями.

Життя у фрактальному світі

«Ми зрозуміли, що монополі, мабуть, живуть у фрактальному світі», — пояснює член команди Клаудіо Кастельново з Кембриджського університету, «і не вільно рухаючись у трьох вимірах, як завжди вважалося». Якщо бути більш точним, додає він, конфігурації спінів створили динамічну мережу, яка розгалужується як фрактал, і монополи рухаються вздовж неї (див. малюнок).

Щоб пояснити таку поведінку, дослідники посилалися на математичну модель, яка описує, як монополі стрибають завдяки квантовому тунелюванню магнітних спінів. Вони виявили, що існує два дуже різні часові масштаби, за які монополь може це зробити. «В якому часовому масштабі відбувається конкретна подія спінового тунелювання, залежить від конфігурації сусідніх спінів», — говорить провідний автор дослідження. Джонатан Нільссон Хален. «Стало ясно, що довший з двох різних часових масштабів тунелювання набагато більший, ніж коротший. Таким чином, монопольні стрибки, що відбуваються в більш тривалих часових масштабах, можна ігнорувати».

Кластери утворюють фрактали

Коли дослідники врахували це та обчислили типову кількість стрибків, що залишилися, доступних для монополя, вони виявили, що система знаходиться поблизу критичної точки, в якій середня кількість ходів, доступних монополю на кожному місці, є тією, яка генерує фрактальні кластери. . У своєму моделюванні вони намітили місця, до яких може дістатися кожен монополь, і показали, що ці кластери справді утворюють фрактали, які вони передбачили.

Вивчення монополів у спінових льодах таким чином може бути важливим для безлічі застосувань, каже Хеллен. «Спіновий лід є одним із найдоступніших прикладів топологічних магнітів, а магнітні монополі в спіновому льоду є одним із найкраще зрозумілих прикладів фракціонованих збуджень», — розповідає він. Світ фізики. «На сьогоднішній день топологічні матеріали залишаються однією з найбільш інтенсивно досліджуваних областей фізики конденсованого середовища, і є надія, що захоплюючі явища, які демонструють ці матеріали, виявляться корисними для таких застосувань, як магнітокалоріка, спінтроніка, зберігання інформації та квантові обчислення».

У штучному спіновому льоду виникають магнітні монополі

Халлен зазначає, що докази незвичайної динамічної поведінки спінових льодів накопичувалися більше двох десятиліть. Враховуючи цю зростаючу кількість доказів, він припускає, що час, який знадобився для виявлення динамічних фракталів у спіновому льоду, чітко демонструє, що ми далекі від розуміння поведінки фракціонованих зарядів, як магнітних монополів, на тому ж рівні, що ми розуміємо звичайні заряди наприклад електрони в металі. «Здатність спінових льодів демонструвати такі вражаючі явища дає нам надію на подальші дивовижні відкриття в кооперативній динаміці навіть простих топологічних систем багатьох тіл», — каже він.

Зараз дослідники досліджують, як динамічні фрактали можуть вплинути на інші властивості спінового льоду. «Зокрема, ми сподіваємося працювати з експериментальними групами, щоб знайти додаткові докази такої поведінки», — говорить Хеллен. «Ми також активно шукаємо інші системи, в яких можуть з’явитися подібні динамічні обмеження, і ми плануємо ширше дослідити діапазон ефектів, які вони можуть викликати».

Вони детально описують свою поточну роботу наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/new-type-of-fractal-emerges-in-spin-ices/