Dinámica fractal encontrada en un cristal magnético no contaminado
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 eso en mente, tal vez no sea sorprendente que los fractales (objetos de dimensiones fraccionarias) hayan atraído una atención considerable desde su descubrimiento. A pesar de su aparente extrañeza, los fractales surgen en lugares sorprendentes, desde copos de nieve y rayos 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 Plata han descubierto un nuevo tipo de fractal que aparece en una clase de imanes llamados spin ices. El hallazgo fue sorprendente porque los fractales se vieron en un cristal tridimensional limpio, donde normalmente no se esperarían. Más notablemente, los fractales son visibles en las propiedades dinámicas del cristal y ocultos en las propiedades estáticas. Estas características han motivado la designación de “fractal dinámico emergente”.
Se descubrieron fractales en cristales de titanato de disprosio, donde los espines de los electrones se comportan como diminutas varillas magnéticas. Estos giros cooperan a través de reglas de hielo que imitan las tensiones experimentadas por 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 candidato a doctorado y autor principal del estudio. 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 un pequeño número de sitios y sus polos norte y sur, constituyendo el giro inverso, separados entre sí, moviéndose 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 algo realmente extraño estaba pasando. Los resultados de 30 años de experimentos no cuadraron.
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 vivir en un mundo fractal y no moverse libremente. en tres dimensiones, como siempre se había supuesto.
De hecho, este último análisis de ruido magnético mostró que el mundo de Monopoly debe haberse visto menos tridimensional, ¡o más bien 2,53 dimensional para ser precisos! El profesor Roderich Moessner, director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania, y Castelnovo propusieron que el efecto de túnel cuántico de los espines mismos puede depender de lo que estaban haciendo los espines vecinos.
Como explicó Hallén, “cuando introdujimos esto en nuestros modelos, surgieron de inmediato los fractales. Las configuraciones de los giros crearon una red en la que los monopolos tenían que moverse. La red se ramificó como un fractal con exactamente la dimensión correcta.
Pero, ¿por qué se había perdido durante tanto tiempo?
Hallén explicó que “no era el tipo de fractal estático en el que normalmente pensamos. En cambio, en momentos más largos, el movimiento de los monopolos 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 del trabajo experimental anterior.
«El hecho de que los fractales sean dinámicos significó que no aparecieron 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».
Con respecto a la importancia de los resultados, que aparecen en Science esta semana, Moessner explica: «Además de explicar varios resultados experimentales desconcertantes que nos han desconcertado durante mucho tiempo, el descubrimiento de un mecanismo para la aparición de un nuevo tipo de fractal ha llevado a una completamente inesperada para que ocurra un movimiento no convencional 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 los nuevos conocimientos proporcionados por su trabajo, incluidos los enlaces a propiedades intrigantes como la topología. Dado que el espín de hielo es uno de los ejemplos más accesibles de un imán topológico, Moessner dijo: «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 de varios sistemas corporales topológicos, incluso simples. .
Embargado: no transmitir hasta las 2:00 p. m., hora del este, del jueves 15 de diciembre de 2022.
[PP1]¿Referencia tal vez?
