В магнитном льду обнаружен новый тип фракталов
Фрактальные узоры можно найти повсюду: от снежинок до молний и неровных береговых линий. Прекрасная на вид, их повторяющаяся природа также может вдохновить математиков на понимание хаоса физического ландшафта.
Новый пример этих математических странностей был обнаружен в типе магнитного вещества, известном как спиновой лед. может помочь нам лучше понять, как причудливое поведение, называемое магнитным монополем, возникает из его нестабильной структуры.
Спиновые льды — это магнитные кристаллы, которые подчиняются тем же структурным правилам, что и водяной лед, с уникальными взаимодействиями, определяемыми спинами их электронов. а не толкать и тянуть заряды. В результате этой деятельности у них нет какого-то единого низкоэнергетического состояния минимальной активности. Вместо этого они почти шумно гудят даже при безумно низких температурах.
Из этого квантового гудения возникает странное явление — характеристики, которые действуют как магниты только с одним полюсом. Хотя они не совсем гипотетические частицы магнитного монополя, которые, по мнению некоторых физиков, могут существовать в природе, они ведут себя достаточно похоже, что делает их достойными изучения.
Поэтому международная группа исследователей недавно обратила свое внимание на спиновой лед, называемый титанатом диспрозия. Когда к материалу прикладывается небольшое количество тепла, его типичные магнитные правила нарушаются, и появляются монополи, при этом северный и южный полюсы разделяются и действуют независимо.
Несколько лет назад группа исследователей определила сигнатурную активность магнитных монополей. в квантовом гудении спинового льда из титаната диспрозия, однако результаты оставили несколько вопросов о точной природе этих движений монополей.
В этом последующем исследовании физики поняли, что монополи не двигаются с полная свобода в трех измерениях. Вместо этого они были ограничены 2,53-мерной плоскостью внутри фиксированной решетки.
Ученые создали сложные модели атомного масштаба, чтобы показать, что движение монополя было ограничено фрактальной структурой, которая стиралась и переписывалась в зависимости от условий и предыдущих движений.
«Когда мы добавили это в наши модели, сразу же появились фракталы», — говорит физик. Джонатан Халлен из Кембриджского университета.
«Конфигурации вращений создавали сеть, по которой должны были двигаться монополи. Сеть разветвлялся как фрактал точно правильной размерности».
Такое динамическое поведение объясняет, почему в обычных экспериментах раньше фракталы не учитывались. Именно шум, создаваемый вокруг монополей, в конечном итоге раскрыл, что они на самом деле делают, и фрактальную структуру, которой они следовали.
«Мы знали, что происходит что-то действительно странное», — говорит физик Клаудио Кастельново из университета. Кембриджа в Великобритании. «Результаты 30-летних экспериментов не совпали».
«После нескольких неудачных попыток объяснить результаты шума мы, наконец, осознали, что монополи должны жить во фрактальном мире. и не перемещаться свободно в трех измерениях, как всегда предполагалось».
Такого рода прорывы могут привести к ступенчатым изменениям в возможностях науки и в том, как можно использовать такие материалы, как спиновые льды: возможно, в спинтронике, новая область исследований, которая может предложить модернизацию электроники следующего поколения, которую мы используем сегодня.
«Помимо объяснения нескольких загадочных экспериментальных результатов, которые долгое время бросали нам вызов, открытие механизма появление нового типа фракталов привело к совершенно неожиданному пути нетрадиционного движения в трех измерениях», — говорит физик-теоретик Родерих Месснер из Института физики сложных систем им. Макса Планка в Германии.
Исследование опубликовано в журнале Science д.
