In magnetisch ijs is een nieuw type fractal ontdekt: ScienceAlert

Fractale patronen zijn overal te vinden, van sneeuwvlokken tot sneeuwvlokken Bliksem naar de grillige randen van kustlijnen. Mooi om te zien, hun terugkerende aard kan ook wiskundige inzichten in de chaos van het landschap inspireren.

Een nieuw voorbeeld van deze wiskundige anomalie is onthuld in een soort magnetisch materiaal dat bekend staat als spinijs, en het zou ons kunnen helpen beter te begrijpen hoe een vreemd gedrag genaamd magnetische monopolen tevoorschijn komt uit zijn onstabiele structuur.

Spin-ijs zijn magnetische kristallen die onderworpen zijn aan structurele regels die vergelijkbaar zijn met die van waterijs, met unieke interacties die worden bepaald door de spins van hun elektronen in plaats van door het duwen en trekken van ladingen. Als gevolg van deze activiteit hebben ze geen enkele energiezuinige toestand van minimale activiteit. In plaats daarvan maken ze bijna geluid, zelfs bij extreem lage temperaturen.

Uit deze kwantumresonantie komt een vreemd fenomeen naar voren – eigenschappen die zich gedragen als magneten met slechts één pool. Terwijl ze niet helemaal virtueel zijn magnetische monopolaire deeltjes Sommige natuurkundigen denken dat ze in de natuur kunnen bestaan, ze gedragen zich op een zodanige manier dat ze het bestuderen waard zijn.

Daarom richtte een internationaal team van onderzoekers onlangs hun aandacht op een ronddraaiend ijs genaamd dysprosiumtitanaat. Wanneer kleine hoeveelheden warmte op het materiaal worden aangebracht, worden de typische magnetische bases verbroken en verschijnen monopolen, waarbij de noord- en zuidpool gescheiden zijn en onafhankelijk van elkaar werken.

een aantal jaar geleden Een team van onderzoekers heeft duidelijke unipolaire magnetische activiteit geïdentificeerd in de kwantumresonantie van ronddraaiend ijs van dysprosiumtitanaat, maar de resultaten laten enkele vragen over de exacte aard van deze unipolaire bewegingen.

In dit vervolgonderzoek realiseerden natuurkundigen zich dat monopolen niet meebewegen Totale vrijheid in drie dimensies. In plaats daarvan waren ze beperkt tot een dimensieniveau van 2,53 binnen een vast rooster.

De wetenschappers creëerden complexe modellen op atomair niveau om aan te tonen dat unipolaire beweging werd beperkt door een fractalpatroon dat werd gewist en herschreven afhankelijk van eerdere omstandigheden en bewegingen.

“Toen we dit in onze modellen invoegden, verschenen de fractals onmiddellijk,” zegt natuurkundige Jonathan Hallen van de Universiteit van Cambridge.

“De configuraties van de spins creëerden een netwerk waar de monaden doorheen moesten navigeren. Het netwerk was een vertakkende fractal met precies de juiste dimensie.”

Dit dynamische gedrag verklaart waarom fractals voorheen over het hoofd werden gezien door klassieke experimenten. Het was de hype rond de monopolen die uiteindelijk onthulde wat ze werkelijk aan het doen waren en het fractale patroon dat ze volgden.

“We wisten dat er iets heel vreemds aan de hand was”, zei hij. zegt natuurkundige Claudio Castelnovo van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk. “De resultaten van 30 jaar experimenteren hebben niet gewerkt.”

“Na verschillende mislukte pogingen om de resultaten van ruis te verklaren, hadden we eindelijk een eureka-moment, toen we ons realiseerden dat monopolen in een fractale wereld moeten leven en niet vrij in drie dimensies kunnen bewegen, zoals altijd is aangenomen.”

Dit soort doorbraken kunnen leiden tot stapsgewijze veranderingen in de mogelijkheden van de wetenschap en hoe materialen zoals spinijs kunnen worden gebruikt: mogelijk in spintronicaeen opkomend studiegebied dat een upgrade van de volgende generatie zou kunnen bieden voor de elektronica die we vandaag gebruiken.

“Naast het verklaren van vele raadselachtige experimentele resultaten die ons zo lang hebben uitgedaagd, heeft de ontdekking van een mechanisme voor de opkomst van een nieuw type fractal geleid tot een volledig onverwacht traject van onconventionele beweging die zich in drie dimensies voordoet.” zegt theoretisch natuurkundige Roderich Mossner van het Max Planck Instituut voor de Fysica van Complexe Systemen in Duitsland.

Onderzoek gepubliceerd in Wetenschappen.