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Jan 19, 2024

Fractal dinámico descubierto en cristal magnético limpio

La naturaleza y las propiedades de los materiales dependen en gran medida de la dimensión. imagina como

La naturaleza y las propiedades de los materiales dependen en gran medida de la dimensión. Imagínese cuán diferente sería la vida en un mundo unidimensional o bidimensional de las tres dimensiones a las que estamos acostumbrados. Con esto en mente, tal vez no sea sorprendente que los fractales (objetos con dimensión fraccionaria) hayan atraído una atención significativa desde su descubrimiento. A pesar de su aparente extrañeza, los fractales surgen en lugares sorprendentes, desde copos de nieve y relámpagos hasta costas naturales.

Investigadores de la Universidad de Cambridge, el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, la Universidad de Tennessee y la Universidad Nacional de La Platahan descubierto un tipo completamente nuevo de fractal que aparece en una clase de imanes llamados spin ices. El descubrimiento fue sorprendente porque los fractales se vieron en un cristal tridimensional limpio, donde convencionalmente no se esperarían. Aún más notable, los fractales son visibles en las propiedades dinámicas del cristal y ocultos en las estáticas. Estas características motivaron la denominación de "fractal dinámico emergente".

Los fractales se descubrieron en cristales del material titanato de disprosio, donde los espines de los electrones se comportan como pequeñas barras magnéticas. Estos giros cooperan a través de reglas de hielo que imitan las restricciones que experimentan los protones en el hielo de agua. Para el titanato de disprosio, esto conduce a propiedades muy especiales.

Jonathan Hallén, de la Universidad de Cambridge, es estudiante de doctorado y autor principal del estudio. Él explica que "a temperaturas ligeramente por encima del cero absoluto, los giros del cristal forman un fluido magnético". Sin embargo, este no es un fluido ordinario.

"Con pequeñas cantidades de calor, las reglas del hielo se rompen en una pequeña cantidad de sitios y sus polos norte y sur, formando el giro invertido, separados entre sí, viajando como monopolos magnéticos independientes".

El movimiento de estos monopolos magnéticos condujo al descubrimiento aquí. Como señala el profesor Claudio Castelnovo, también de la Universidad de Cambridge: "Sabíamos que estaba pasando algo realmente extraño. Los resultados de 30 años de experimentos no cuadraban".

Refiriéndose a un nuevo estudio sobre el ruido magnético de los monopolos publicado a principios de este año, Castelnovo continuó: "Después de varios intentos fallidos de explicar los resultados del ruido, finalmente tuvimos un momento eureka, al darnos cuenta de que los monopolos deben estar viviendo en un mundo fractal y no se mueve libremente en tres dimensiones, como siempre se había supuesto".

De hecho, este último análisis del ruido magnético mostró que el mundo del monopolo necesitaba parecer menos tridimensional, ¡o más bien 2,53 dimensiones para ser precisos! El profesor Roderich Moessner, director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania, y Castelnovo propusieron que la tunelización cuántica de los espines mismos podría depender de lo que estuvieran haciendo los espines vecinos.

Como explicó Hallén, "cuando introdujimos esto en nuestros modelos, los fractales surgieron de inmediato. Las configuraciones de los giros estaban creando una red en la que los monopolos tenían que moverse. La red se ramificaba como un fractal con exactamente la dimensión correcta".

Pero, ¿por qué se había perdido esto durante tanto tiempo?

Hallén explicó que "este no era el tipo de fractal estático en el que normalmente pensamos. En cambio, en tiempos más largos, el movimiento de los monopolos en realidad borraría y reescribiría el fractal".

Esto hizo que el fractal fuera invisible para muchas técnicas experimentales convencionales.

Trabajando en estrecha colaboración con los profesores Santiago Grigera de la Universidad Nacional de La Plata y Alan Tennant de la Universidad de Tennessee, los investigadores lograron desentrañar el significado de los trabajos experimentales anteriores.

"El hecho de que los fractales sean dinámicos significaba que no aparecían en las mediciones estándar de dispersión térmica y de neutrones", dijeron Grigera y Tennant. "Fue solo porque el ruido estaba midiendo el movimiento de los monopolos que finalmente se detectó".

En cuanto a la importancia de los resultados, que aparecen en Science esta semana, Moessner explica: "Además de explicar varios resultados experimentales desconcertantes que nos han estado desafiando durante mucho tiempo, el descubrimiento de un mecanismo para la aparición de un nuevo tipo de fractal ha condujo a una ruta completamente inesperada para que el movimiento no convencional tuviera lugar en tres dimensiones".

En general, los investigadores están interesados ​​en ver qué otras propiedades de estos materiales se pueden predecir o explicar a la luz de la nueva comprensión proporcionada por su trabajo, incluidos los vínculos con propiedades intrigantes como la topología. Dado que el espín de hielo es uno de los casos más accesibles de un imán topológico, dijo Moessner, "la capacidad del espín de hielo para exhibir fenómenos tan sorprendentes nos da la esperanza de que promete más descubrimientos sorprendentes en la dinámica cooperativa incluso de muchos topológicos simples". sistemas corporales."

- Este comunicado de prensa fue proporcionado por la Universidad de Cambridge