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Jan 19, 2024

Dynamisches Fraktal in sauberem Magnetkristall entdeckt

Die Beschaffenheit und Eigenschaften von Materialien hängen stark von der Dimension ab. Stellen Sie sich vor, wie

Die Beschaffenheit und Eigenschaften von Materialien hängen stark von der Dimension ab. Stellen Sie sich vor, wie unterschiedlich das Leben in einer ein- oder zweidimensionalen Welt von den drei Dimensionen wäre, an die wir normalerweise gewöhnt sind. Vor diesem Hintergrund ist es vielleicht nicht überraschend, dass Fraktale – Objekte mit gebrochener Dimension – seit ihrer Entdeckung große Aufmerksamkeit erregt haben. Trotz ihrer scheinbaren Fremdartigkeit entstehen Fraktale an überraschenden Orten – von Schneeflocken und Blitzeinschlägen bis hin zu natürlichen Küstenlinien.

Forscher der Universität Cambridge, des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden, der University of Tennessee und der Universidad Nacional de La Platahaben einen völlig neuen Typus entdeckt von Fraktalen, die in einer Klasse von Magneten auftreten, die Spin-Eis genannt werden. Die Entdeckung war überraschend, da die Fraktale in einem sauberen dreidimensionalen Kristall sichtbar waren, wo man sie normalerweise nicht erwarten würde. Noch bemerkenswerter ist, dass die Fraktale in den dynamischen Eigenschaften des Kristalls sichtbar und in den statischen verborgen sind. Diese Merkmale motivierten die Bezeichnung „emergentes dynamisches Fraktal“.

Die Fraktale wurden in Kristallen des Materials Dysprosiumtitanat entdeckt, in denen sich die Elektronenspins wie winzige Stabmagnete verhalten. Diese Spins kooperieren durch Eisregeln, die die Einschränkungen nachahmen, denen Protonen im Wassereis ausgesetzt sind. Für Dysprosiumtitanat führt dies zu ganz besonderen Eigenschaften.

Jonathan Hallén von der University of Cambridge ist Doktorand und Hauptautor der Studie. Er erklärt: „Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt bilden die Kristallspins eine magnetische Flüssigkeit.“ Dies ist jedoch keine gewöhnliche Flüssigkeit.

„Durch geringe Hitzemengen werden die Eisregeln an einer kleinen Anzahl von Stellen gebrochen und ihre Nord- und Südpole, die den umgekehrten Spin bilden, bewegen sich getrennt voneinander als unabhängige magnetische Monopole.“

Die Bewegung dieser magnetischen Monopole führte hier zu dieser Entdeckung. Professor Claudio Castelnovo, ebenfalls von der Universität Cambridge, betont: „Wir wussten, dass etwas wirklich Seltsames vor sich ging. Die Ergebnisse von 30 Jahren Experimenten passten nicht zusammen.“

Unter Bezugnahme auf eine neue Studie über das magnetische Rauschen der Monopole, die Anfang des Jahres veröffentlicht wurde, fuhr Castelnovo fort: „Nach mehreren gescheiterten Versuchen, die Rauschergebnisse zu erklären, hatten wir endlich einen Aha-Moment, als uns klar wurde, dass die Monopole in einer fraktalen Welt leben müssen.“ sich nicht frei in drei Dimensionen bewegen, wie immer angenommen wurde.“

Tatsächlich zeigte diese neueste Analyse des magnetischen Rauschens, dass die Welt des Monopols weniger als dreidimensional aussehen musste, genauer gesagt 2,53-dimensional, um genau zu sein! Professor Roderich Moessner, Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Deutschland, und Castelnovo schlugen vor, dass das Quantentunneln der Spins selbst davon abhängen könnte, was die benachbarten Spins tun.

Hallén erklärte: „Als wir dies in unsere Modelle einspeisten, entstanden sofort Fraktale. Die Konfigurationen der Spins bildeten ein Netzwerk, auf dem sich die Monopole bewegen mussten. Das Netzwerk verzweigte sich als Fraktal mit genau der richtigen Dimension.“

Aber warum wurde dies so lange versäumt?

Hallén führte aus: „Dies war nicht die Art von statischem Fraktal, an die wir normalerweise denken. Stattdessen würde die Bewegung der Monopole das Fraktal bei längerer Zeit tatsächlich löschen und neu schreiben.“

Dadurch wurde das Fraktal für viele herkömmliche experimentelle Techniken unsichtbar.

In enger Zusammenarbeit mit den Professoren Santiago Grigera von der Universidad Nacional de La Plata und Alan Tennant von der University of Tennessee gelang es den Forschern, die Bedeutung der bisherigen experimentellen Arbeiten zu entschlüsseln.

„Die Tatsache, dass die Fraktale dynamisch sind, bedeutete, dass sie bei standardmäßigen thermischen und Neutronenstreuungsmessungen nicht auftauchten“, sagten Grigera und Tennant. „Nur weil das Rauschen die Bewegung des Monopols maß, wurde es schließlich entdeckt.“

Zur Bedeutung der Ergebnisse, die diese Woche in „Science“ erscheinen, erklärt Moessner: „Neben der Erklärung einiger rätselhafter experimenteller Ergebnisse, die uns seit langem vor Herausforderungen stellen, hat uns auch die Entdeckung eines Mechanismus für die Entstehung eines neuen Typs von Fraktalen beschäftigt.“ führte zu einem völlig unerwarteten Weg für unkonventionelle Bewegungen in drei Dimensionen.

Insgesamt sind die Forscher daran interessiert, zu sehen, welche anderen Eigenschaften dieser Materialien im Lichte des neuen Verständnisses, das ihre Arbeit liefert, vorhergesagt oder erklärt werden können, einschließlich Verbindungen zu faszinierenden Eigenschaften wie der Topologie. Da Spineis eines der am besten zugänglichen Beispiele eines topologischen Magneten ist, sagte Moessner: „Die Fähigkeit des Spineises, solche auffälligen Phänomene zu zeigen, stimmt uns zuversichtlich, dass es weitere überraschende Entdeckungen in der kooperativen Dynamik selbst einfacher topologischer Vielfachen verspricht.“ Körper Systeme."

- Diese Pressemitteilung wurde von der University of Cambridge bereitgestellt