Новости

Jan 19, 2024

В чистом магнитном кристалле обнаружен динамический фрактал

Природа и свойства материалов сильно зависят от размеров. Представьте, как

Природа и свойства материалов сильно зависят от размеров. Представьте себе, насколько жизнь в одномерном или двумерном мире будет отличаться от трехмерного мира, к которому мы обычно привыкли. Учитывая это, возможно, неудивительно, что фракталы — объекты дробного измерения — привлекли к себе значительное внимание с момента своего открытия. Несмотря на кажущуюся странность, фракталы возникают в удивительных местах — от снежинок и ударов молний до естественных береговых линий.

Исследователи из Кембриджского университета, Института физики сложных систем Макса Планка в Дрездене, Университета Теннесси и Национального университета Ла-Платыоткрыли совершенно новый тип фрактала, возникающего в классе магнитов, называемых спиновыми льдами. Открытие оказалось неожиданным, поскольку фракталы были видны в чистом трехмерном кристалле, где их традиционно не ожидалось бы. Еще более примечательно то, что фракталы видны в динамических свойствах кристалла и скрыты в статических. Эти особенности послужили причиной названия «эмерджентного динамического фрактала».

Фракталы были обнаружены в кристаллах материала титаната диспрозия, где спины электронов ведут себя как крошечные стержневые магниты. Эти спины взаимодействуют посредством правил льда, которые имитируют ограничения, которые испытывают протоны в водяном льду. Для титаната диспрозия это приводит к совершенно особым свойствам.

Джонатан Халлен из Кембриджского университета — аспирант и ведущий автор исследования. Он объясняет, что «при температурах чуть выше абсолютного нуля спины кристаллов образуют магнитную жидкость». Однако это не обычная жидкость.

«При небольшом количестве тепла ледяные правила нарушаются в небольшом количестве мест, а также на их северном и южном полюсах, образуя перевернутое вращение, отдельные друг от друга, путешествующие как независимые магнитные монополи».

Движение этих магнитных монополей привело к открытию здесь. Как отмечает профессор Клаудио Кастельново, также из Кембриджского университета: «Мы знали, что происходит что-то действительно странное. Результаты 30-летних экспериментов не совпадали».

Ссылаясь на новое исследование магнитного шума монополей, опубликованное ранее в этом году, Кастельново продолжил: «После нескольких неудачных попыток объяснить результаты шума, у нас наконец настал момент эврики, когда мы поняли, что монополи, должно быть, живут во фрактальном мире и не перемещаясь свободно в трех измерениях, как всегда предполагалось».

Фактически, этот последний анализ магнитного шума показал, что мир монополя должен выглядеть менее трехмерным, а точнее, 2,53-мерным, если быть точным! Профессор Родрих Месснер, директор Института физики сложных систем Макса Планка в Германии, и Кастельново предположили, что квантовое туннелирование самих спинов может зависеть от того, что делают соседние спины.

Как объяснил Халлен: «Когда мы ввели это в наши модели, сразу же возникли фракталы. Конфигурации вращений создавали сеть, по которой монополи должны были двигаться. Сеть разветвлялась как фрактал точно с правильным измерением».

Но почему этого так долго не было?

Халлен пояснил, что «это был не тот статический фрактал, о котором мы обычно думаем. Вместо этого в более длительные периоды времени движение монополей фактически стирало и переписывало фрактал».

Это сделало фрактал невидимым для многих традиционных экспериментальных методов.

Работая в тесном сотрудничестве с профессорами Сантьяго Григерой из Национального университета Ла-Платы и Аланом Теннантом из Университета Теннесси, исследователям удалось разгадать смысл предыдущих экспериментальных работ.

«Тот факт, что фракталы являются динамическими, означает, что они не обнаруживаются при стандартных измерениях теплового и нейтронного рассеяния», — сказали Григера и Теннант. «И только потому, что шум измерял движение монополей, его наконец заметили».