Исследователи из Кембриджского университета, Института физики сложных систем имени Макса Планка в Дрездене, Университета Теннесси и Национального университета Ла-Платы обнаружили совершенно новый тип фрактала, появляющийся в классе магнитов, называемых спиновыми льдами. Открытие было неожиданным, потому что фракталы были видны в чистом трехмерном кристалле, где их обычно не ожидали. Еще более примечательно, что фракталы видны в динамических свойствах кристалла и скрыты в статических. Эти особенности послужили причиной названия "возникающий динамический фрактал".

Фракталы были обнаружены в кристаллах материала титаната диспрозия, где электронные спины ведут себя как крошечные стержневые магниты. Эти вращения взаимодействуют с помощью правил льда, которые имитируют ограничения, с которыми сталкиваются протоны в водяном льду. Для титаната диспрозия это приводит к совершенно особым свойствам.

Джонатан Халлен из Кембриджского университета является аспирантом и ведущим автором исследования. Он объясняет, что "при температурах чуть выше абсолютного нуля кристаллические вращения образуют магнитную жидкость". Однако это не обычная жидкость.

"При незначительном количестве тепла правила льда нарушаются в небольшом количестве мест, и их северный и южный полюса, образуя перевернутое вращение, отделяются друг от друга, перемещаясь 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 сходились".

Ссылаясь на новое исследование магнитного шума от монополей, опубликованное ранее в этом году, Кастельново продолжил: "После нескольких неудачных попыток объяснить результаты шума, у нас, наконец, наступил момент эврики, когда мы поняли, что монополи, должно быть, живут во фрактальном мире, а не свободно перемещаются в трех измерениях, как всегда было предположено."

Фактически, этот последний анализ магнитного шума показал, что мир монополя должен выглядеть менее чем трехмерным, или, скорее, 2,53-мерным, если быть точным! Профессор Родрих Месснер, директор Института физики сложных систем им. 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 внедрили это в наши модели, сразу же появились фракталы. Конфигурации вращений создавали сеть, по которой монополи должны были двигаться дальше. Сеть разветвлялась как фрактал с точно правильным измерением".

Но почему этого так долго не хватало?

Халлен уточнил, что "это был не тот вид статического фрактала, о котором мы обычно думаем. Вместо этого, в более длительные периоды времени движение монополей фактически стирало бы и переписывало фрактал".

Это делало 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, означал, что они не были обнаружены при стандартных измерениях рассеяния тепла и нейтронов", - сказали Григера и Теннант. "Только потому, что шум измерял движение монополей, его наконец заметили".

Что касается значимости результатов, которые появляются в Наука На этой неделе Месснер объясняет: "Помимо объяснения нескольких озадачивающих экспериментальных результатов, которые долгое время бросали нам вызов, открытие механизма возникновения фрактала нового типа привело к совершенно неожиданному маршруту для нетрадиционного движения в трех измерениях".

В целом, исследователям интересно посмотреть, какие другие свойства этих материалов могут быть предсказаны или объяснены в свете нового понимания, предоставленного их работой, включая связи с такими интригующими свойствами, как топология. Поскольку спиновый лед является одним из наиболее доступных примеров топологического магнита, сказал Месснер, "способность спинового льда демонстрировать такие поразительные явления вселяет в нас надежду, что он обещает дальнейшие удивительные открытия в совместной динамике даже простых топологических многочастичных систем".