자기 얼음에서 새로운 유형의 프랙탈이 발견되었습니다: ScienceAlert

프랙탈 패턴은 눈송이에서 눈송이까지 모든 곳에서 찾을 수 있습니다. 번개 해안선의 들쭉날쭉한 가장자리까지. 보기에 아름답고 반복되는 자연은 또한 풍경의 혼돈에 대한 수학적 통찰력에 영감을 줄 수 있습니다.

이 수학적 변칙의 새로운 예가 스핀 아이스로 알려진 일종의 자성 물질에서 밝혀졌으며, 불안정한 구조에서 자기 모노폴이라는 이상한 행동이 어떻게 나타나는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

스핀 아이스는 전하를 밀고 당기는 것이 아니라 전자의 스핀에 의해 지배되는 독특한 상호 작용을 통해 물 얼음과 유사한 구조적 규칙을 따르는 자성 결정입니다. 이 활동의 ​​결과로 그들은 최소 활동의 단일 저에너지 상태를 갖지 않습니다. 대신 극도로 낮은 온도에서도 거의 소음을 냅니다.

이 양자 공명에서 이상한 현상이 나타납니다. 하나의 극만 가진 자석처럼 작용하는 특성입니다. 완전히 가상은 아니지만 자성 단극 입자 일부 물리학자들은 그것이 자연에 존재할 수 있고 연구할 가치가 있을 만큼 충분히 유사한 방식으로 행동할 수 있다고 생각합니다.

그래서 국제 연구팀은 최근 디스프로슘 티타네이트(dysprosium titanate)라고 불리는 회전하는 얼음에 관심을 돌렸습니다. 재료에 소량의 열을 가하면 일반적인 자기 베이스가 깨지고 모노폴이 나타나며 북극과 남극이 분리되어 독립적으로 작동합니다.

몇 년 전 연구팀은 디스프로슘 티타네이트의 회전하는 얼음의 양자 공명에서 뚜렷한 단극 자기 활동을 확인했지만 결과는 이러한 단극 운동의 정확한 특성에 대해 몇 가지 질문을 남깁니다.

이 후속 연구에서 물리학자들은 모노폴이 그들과 함께 움직이지 않는다는 것을 깨달았습니다. 3차원에서의 완전한 자유. 대신 고정 격자 내에서 2.53 차원 수준으로 제한되었습니다.

과학자들은 단극 운동이 이전 조건과 운동에 따라 지워지고 다시 쓰여지는 프랙탈 패턴에 의해 제한된다는 것을 보여주기 위해 원자 수준에서 복잡한 모델을 만들었습니다.

“이것을 모델에 삽입하자 프랙탈이 즉시 나타났습니다.” 물리학자 조나단 할렌(Jonathan Hallen)은 말합니다. 케임브리지 대학에서.

“스핀의 구성은 모나드가 탐색해야 하는 네트워크를 생성하고 있었습니다. 네트워크는 정확히 올바른 차원의 분기 프랙탈이었습니다.”

이 역동적인 행동은 프랙탈이 이전에 고전적인 실험에서 간과되었던 이유를 설명합니다. 그들이 실제로 무엇을 하고 있는지, 그리고 그들이 따르고 있는 프랙탈 패턴을 궁극적으로 드러낸 것은 모노폴 주변에서 만들어진 과대 광고였습니다.

“우리는 정말 이상한 일이 벌어지고 있다는 것을 알고 있었다”고 그는 말했다. 물리학자 클라우디오 카스텔노보(Claudio Castelnovo)는 말합니다. 영국 케임브리지 대학교 출신. “30년간의 실험 결과는 효과가 없었습니다.”

“노이즈의 결과를 설명하려는 시도가 여러 번 실패한 후, 우리는 마침내 모노폴이 프랙탈 세계에 살고 항상 가정된 것처럼 3차원에서 자유롭게 움직일 수 없다는 것을 깨닫는 유레카 순간을 가졌습니다.”

이러한 종류의 돌파구는 과학의 가능성과 스핀아이스 같은 물질이 어떻게 사용될 수 있는지에 점진적인 변화를 가져올 수 있습니다. 스핀트로닉스오늘날 우리가 사용하는 전자 제품에 대한 차세대 업그레이드를 제공할 수 있는 새로운 연구 분야입니다.

“오랫동안 우리에게 도전이 되었던 많은 당혹스러운 실험 결과를 설명하는 것 외에도, 새로운 유형의 프랙탈 출현 메커니즘의 발견은 3차원에서 발생하는 비관습적 움직임의 완전히 예상치 못한 궤적을 이끌어 냈습니다.” 이론 물리학자인 Roderich Mossner는 말합니다. 독일 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소에서.

에 발표된 연구 과학.