W lodzie magnetycznym odkryto nowy typ fraktala: ScienceAlert

Wzory fraktalne można znaleźć wszędzie, od płatków śniegu po płatki śniegu Błyskawica do postrzępionych krawędzi wybrzeży. Piękne do zobaczenia, ich powtarzająca się natura może również zainspirować matematyczny wgląd w chaos krajobrazu.

Nowy przykład tej anomalii matematycznej został ujawniony w rodzaju materiału magnetycznego znanego jako lód wirowy i może pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób dziwne zachowanie zwane monopolami magnetycznymi wyłania się z jego niestabilnej struktury.

Spiny to kryształy magnetyczne, które podlegają podobnym zasadom strukturalnym jak lód wodny, z unikalnymi interakcjami regulowanymi przez spin ich elektronów, a nie przez pchanie i przyciąganie ładunków. W wyniku tej aktywności nie mają ani jednego stanu niskoenergetycznego o minimalnej aktywności. Zamiast tego prawie hałasują, nawet w ekstremalnie niskich temperaturach.

Z tego rezonansu kwantowego wyłania się dziwne zjawisko – właściwości, które działają jak magnesy z tylko jednym biegunem. Chociaż nie są one całkowicie wirtualne magnetyczne cząstki monopolarne Niektórzy fizycy uważają, że może istnieć w naturze, zachowując się na tyle podobnie, że warto ją badać.

Tak więc międzynarodowy zespół naukowców zwrócił ostatnio swoją uwagę na wirujący lód zwany tytanianem dysprozu. Kiedy do materiału doprowadzane są niewielkie ilości ciepła, jego typowe podstawy magnetyczne pękają i pojawiają się monopole, z biegunami północnym i południowym rozdzielonymi i działającymi niezależnie.

Kilka lat temu Zespół naukowców zidentyfikował wyraźną jednobiegunową aktywność magnetyczną w rezonansie kwantowym wirującego lodu tytanianu dysprozu, jednak wyniki pozostawiają pewne pytania dotyczące dokładnej natury tych jednobiegunowych ruchów.

W tym badaniu uzupełniającym fizycy zdali sobie sprawę, że monopole nie poruszają się razem z nimi Całkowita swoboda w trzech wymiarach. Zamiast tego były ograniczone do poziomu wymiaru 2,53 w ramach ustalonej sieci.

Naukowcy stworzyli złożone modele na poziomie atomowym, aby pokazać, że ruch jednobiegunowy był ograniczony przez wzór fraktalny, który został wymazany i przepisany w zależności od wcześniejszych warunków i ruchów.

„Kiedy wstawiliśmy to do naszych modeli, fraktale pojawiły się natychmiast” mówi fizyk Jonathan Hallen z Uniwersytetu Cambridge.

„Konfiguracje spinów tworzyły sieć, po której monady musiały się poruszać. Sieć była rozgałęzionym fraktalem o odpowiednim wymiarze”.

To dynamiczne zachowanie wyjaśnia, dlaczego fraktale były wcześniej pomijane w klasycznych eksperymentach. To szum wokół monopoli ostatecznie ujawnił, co tak naprawdę robią i fraktalny wzór, za którym podążają.

„Wiedzieliśmy, że dzieje się coś naprawdę dziwnego” – powiedział. mówi fizyk Claudio Castelnovo z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii. „Wyniki 30 lat eksperymentów nie zadziałały”.

„Po kilku nieudanych próbach wyjaśnienia skutków szumu w końcu mieliśmy chwilę eureki, zdając sobie sprawę, że monopole muszą żyć w świecie fraktali, a nie swobodnie poruszać się w trzech wymiarach, jak zawsze zakładano”.

Tego rodzaju przełomy mogą prowadzić do stopniowych zmian w możliwościach nauki i sposobie wykorzystania materiałów takich jak lód wirujący: być może w spintronikawschodząca dziedzina nauki, która może zaoferować ulepszenie nowej generacji elektroniki, której używamy dzisiaj.

„Oprócz wyjaśnienia wielu zagadkowych wyników eksperymentów, które od dawna stanowią dla nas wyzwanie, odkrycie mechanizmu powstawania nowego typu fraktali doprowadziło do zupełnie nieoczekiwanej trajektorii niekonwencjonalnego ruchu występującego w trzech wymiarach” mówi fizyk teoretyczny Roderich Mossner z Instytutu Fizyki Układów Złożonych Maxa Plancka w Niemczech.

Badania opublikowane w nauka.