Un nou tip de fractal a fost descoperit în gheața magnetică: ScienceAlert

Modelele fractale pot fi găsite peste tot, de la fulgi de zăpadă la flash până la marginile zimțate ale coastelor. Frumos de văzut, natura lor repetitivă poate inspira, de asemenea, perspective matematice asupra haosului peisajului fizic.

Un nou exemplu al acestor ciudatenii matematice a fost descoperit într-un tip de substanță magnetică cunoscută sub numele de spin gheață și ne-ar putea ajuta să înțelegem mai bine modul în care comportamentul bizar numit monopol magnetic iese din structura sa instabilă.

Spin gheața sunt cristale magnetice care se supun unor reguli structurale similare cu gheața de apă, cu interacțiuni unice guvernate de spin-urile electronilor lor, mai degrabă decât de împingerea și tracțiunea sarcinilor. Ca urmare a acestei activități, ei nu au o singură stare de activitate minimă cu energie scăzută. În schimb, aproape bâzâie de zgomot, chiar și la temperaturi incredibil de scăzute.

Din acest zumzet cuantic reiese un fenomen ciudat – caracteristici care acționează ca niște magneți cu un singur pol. Deși nu sunt în întregime ipotetice particule monopolare magnetice unii fizicieni cred că ar putea exista în natură, se comportă într-un mod suficient de asemănător încât să merite studiate.

Astfel, o echipă internațională de cercetători a cercetat recent o gheață spin numită titanat de disproziu. Când se aplică cantități mici de căldură materialului, regulile sale magnetice tipice se sparg și apar monopoluri, polii nord și sud separându-se și acționând independent.

Acum cativa ani O echipă de cercetători a identificat activitatea caracteristică a monopolului magnetic în zgomotul cuantic al gheții de spin de titanat de disproziu, dar rezultatele au lăsat câteva întrebări cu privire la natura exactă a acestor mișcări de monopol.

În acest studiu de urmărire, fizicienii și-au dat seama că monopolurile nu s-au mișcat cu libertate totală în trei dimensiuni. În schimb, au fost limitate la un plan de 2,53 dimensiuni în interiorul unei rețele fixe.

Oamenii de știință au creat modele complexe la scară atomică pentru a arăta că mișcarea lui Monopoly a fost constrânsă într-un model fractal care a fost șters și rescris pe baza condițiilor și mișcărilor anterioare.

„Când am introdus acest lucru în modelele noastre, fractalii au apărut imediat”, spune fizicianul Jonathan Hallén de la Universitatea din Cambridge.

„Configurațiile de spin au creat o rețea peste care monopolurile trebuiau să se deplaseze. Rețeaua s-a ramificat ca un fractal cu dimensiunea exactă.”

Acest comportament dinamic explică de ce experimentele convenționale au ratat anterior fractalii. Zgomotul creat în jurul monopolurilor a dezvăluit în cele din urmă ceea ce făceau de fapt și modelul fractal pe care îl urmau.

„Știam că se întâmplă ceva cu adevărat ciudat” spune fizicianul Claudio Castelnovo de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie. „Rezultatele a 30 de ani de experiență nu se adună”.

„După mai multe încercări eșuate de a explica rezultatele zgomotului, am avut în sfârșit un moment eureka, realizând că monopolii trebuie să trăiască într-o lume fractală și să nu se miște liber în trei dimensiuni, așa cum se presupunea întotdeauna.”

Aceste tipuri de descoperiri pot duce la schimbări treptate ale posibilităților științei și ale modului în care pot fi utilizate materiale precum gheața de spin: poate în spintronicaun domeniu de studiu în curs de dezvoltare care ar putea oferi un upgrade de ultimă generație pentru electronicele pe care le folosim astăzi.

„Pe lângă explicarea mai multor rezultate experimentale uluitoare care ne-au provocat de mult timp, descoperirea unui mecanism pentru apariția unui nou tip de fractal a condus la o cale destul de neașteptată pentru a avea loc mișcarea neconvențională. în trei dimensiuni, spune fizicianul teoretician Roderich Moessner de la Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe din Germania.

Cercetarea a fost publicată în Ştiinţă.