Eine neue Art von Fraktal wurde in magnetischem Eis entdeckt: ScienceAlert

Fraktale Muster sind überall zu finden, von Schneeflocken bis hin zu Blitz zu den zerklüfteten Küstenrändern. Schön anzusehen, kann ihre sich wiederholende Natur auch mathematische Einblicke in das Chaos der physischen Landschaft inspirieren.

Ein neues Beispiel für diese mathematischen Kuriositäten wurde in einer Art magnetischer Substanz entdeckt, die als Spin-Eis bekannt ist, und es könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie ein eigenartiges Verhalten, das als magnetischer Monopol bezeichnet wird, aus seiner unruhigen Struktur hervorgeht.

Spin-Eis sind magnetische Kristalle, die ähnlichen Strukturregeln wie Wassereis gehorchen, mit einzigartigen Wechselwirkungen, die eher von den Spins ihrer Elektronen als von dem Stoß und Zug von Ladungen bestimmt werden. Als Ergebnis dieser Aktivität haben sie keinen einzigen niederenergetischen Zustand mit minimaler Aktivität. Stattdessen brummen sie selbst bei wahnsinnig niedrigen Temperaturen fast vor lauter Geräuschen.

Aus diesem Quantensummen entsteht ein seltsames Phänomen – Eigenschaften, die wie Magnete mit nur einem Pol wirken. Während sie nicht ganz hypothetisch sind magnetische Monopolteilchen Einige Physiker glauben, dass sie in der Natur existieren könnten, aber sie verhalten sich ähnlich genug, dass es sich lohnt, sie zu studieren.

So wandte sich ein internationales Forscherteam kürzlich einem Spin-Eis namens Dysprosium-Titanat zu. Wenn dem Material kleine Wärmemengen zugeführt werden, brechen seine typischen magnetischen Regeln und es entstehen Monopole, wobei sich Nord- und Südpol trennen und unabhängig voneinander agieren.

Vor einigen Jahren Ein Forscherteam identifizierte eine charakteristische magnetische Monopolaktivität im Quantensummen eines Dysprosiumtitanat-Spineises, doch die Ergebnisse ließen einige Fragen zur genauen Natur dieser Monopolbewegungen offen.

In dieser Folgestudie stellten die Physiker fest, dass die Monopole nicht mitzogen völlige Freiheit in drei Dimensionen. Stattdessen waren sie auf eine 2,53-dimensionale Ebene innerhalb eines festen Gitters beschränkt.

Die Wissenschaftler erstellten komplexe Modelle auf atomarer Ebene, um zu zeigen, dass die Monopolbewegung in einem fraktalen Muster eingeschränkt war, das je nach den Bedingungen und früheren Bewegungen gelöscht und neu geschrieben wurde.

„Als wir das in unsere Modelle eingespeist haben, sind sofort Fraktale entstanden“, sagt der Physiker Jonathan Hallén von der University of Cambridge.

“Die Konfigurationen der Spins schufen ein Netzwerk, auf dem sich die Monopole bewegen mussten. Das Netzwerk verzweigte sich als Fraktal mit genau der richtigen Dimension.”

Dieses dynamische Verhalten erklärt, warum herkömmliche Experimente bisher die Fraktale verpasst hatten. Es war das Geräusch, das um die Monopole herum erzeugt wurde, das schließlich enthüllte, was sie tatsächlich taten und dem fraktalen Muster, dem sie folgten.

„Wir wussten, dass etwas wirklich Seltsames vor sich ging“ sagt der Physiker Claudio Castelnovo von der University of Cambridge in Großbritannien. “Ergebnisse aus 30 Jahren Experimentieren stimmten nicht.”

„Nach mehreren gescheiterten Versuchen, die Rauschergebnisse zu erklären, hatten wir schließlich einen Heureka-Moment, als wir erkannten, dass die Monopole in einer fraktalen Welt leben müssen und sich nicht frei in drei Dimensionen bewegen, wie immer angenommen wurde.“

Diese Art von Durchbrüchen kann zu grundlegenden Veränderungen in den Möglichkeiten der Wissenschaft führen und wie Materialien wie Spin-Eis verwendet werden können: vielleicht in Spintronikein aufstrebendes Studiengebiet, das ein Upgrade der heute verwendeten Elektronik der nächsten Generation bieten könnte.

“Neben der Erklärung einiger rätselhafter experimenteller Ergebnisse, die uns seit langem herausfordern, hat die Entdeckung eines Mechanismus für die Entstehung einer neuen Art von Fraktalen zu einem völlig unerwarteten Weg geführt, auf dem unkonventionelle Bewegungen in drei Dimensionen stattfinden können.” sagt der theoretische Physiker Roderich Moessner vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Deutschland.

Die Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaft.