Fraktale Muster sind überall zu finden, von Schneeflocken bis zu Schneeflocken Blitz zu den zerklüfteten Küstenrändern. Schön anzusehen, kann ihre wiederkehrende Natur auch mathematische Einblicke in das Chaos der Landschaft inspirieren.
Ein neues Beispiel für diese mathematische Anomalie wurde in einer Art magnetischem Material entdeckt, das als Spin-Eis bekannt ist, und es könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie ein seltsames Verhalten namens magnetische Monopole aus seiner instabilen Struktur hervorgeht.
Spins sind magnetische Kristalle, die ähnlichen Strukturregeln wie Wassereis gehorchen, mit einzigartigen Wechselwirkungen, die eher vom Spin ihrer Elektronen als vom Drücken und Ziehen von Ladungen bestimmt werden. Als Ergebnis dieser Aktivität haben sie keinen einzigen niederenergetischen Zustand mit minimaler Aktivität. Stattdessen machen sie selbst bei extrem niedrigen Temperaturen fast Lärm.
Aus dieser Quantenresonanz entsteht ein seltsames Phänomen – Eigenschaften, die wie Magnete mit nur einem Pol wirken. Obwohl sie nicht vollständig virtuell sind magnetische monopolare Teilchen Einige Physiker glauben, dass es in der Natur existieren könnte und sich ähnlich genug verhält, um es wert zu sein, es zu studieren.
So richtete ein internationales Forscherteam kürzlich seine Aufmerksamkeit auf ein sich drehendes Eis namens Dysprosiumtitanat. Wenn dem Material geringe Wärmemengen zugeführt werden, werden seine typischen magnetischen Basen gebrochen und Monopole entstehen, wobei Nord- und Südpol getrennt sind und unabhängig voneinander arbeiten.
vor einigen Jahren Ein Forscherteam hat eine ausgeprägte unipolare magnetische Aktivität in der Quantenresonanz von sich drehendem Eis von Dysprosiumtitanat identifiziert, doch die Ergebnisse lassen einige Fragen über die genaue Natur dieser unipolaren Bewegungen offen.
In dieser Folgestudie stellten die Physiker fest, dass sich Monopole nicht mit ihnen bewegen Völlige Freiheit in drei Dimensionen. Stattdessen wurden sie auf ein 2,53-dimensionales Niveau innerhalb eines festen Gitters beschränkt.
Die Wissenschaftler erstellten komplexe Modelle auf atomarer Ebene, um zu zeigen, dass unipolare Bewegung durch ein fraktales Muster eingeschränkt wurde, das je nach vorherigen Bedingungen und Bewegungen gelöscht und neu geschrieben wurde.
„Als wir das in unsere Modelle eingefügt haben, erschienen sofort die Fraktale“, sagt der Physiker Jonathan Hallen von der University of Cambridge.
„Die Konfigurationen der Spins schufen ein Netzwerk, durch das die Monaden navigieren mussten. Das Netzwerk war ein verzweigtes Fraktal von genau der richtigen Dimension.“
Dieses dynamische Verhalten erklärt, warum Fraktale bisher von klassischen Experimenten übersehen wurden. Es war der Hype um die Monopole, der schließlich enthüllte, was sie wirklich taten und welchem fraktalen Muster sie folgten.
„Wir wussten, dass etwas wirklich Seltsames vor sich ging“, sagte er. sagt der Physiker Claudio Castelnovo von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich. „Die Ergebnisse aus 30 Jahren Experimentieren haben nicht funktioniert.“
„Nach mehreren gescheiterten Versuchen, die Folgen von Rauschen zu erklären, hatten wir schließlich einen Aha-Moment, als wir erkannten, dass Monopole in einer fraktalen Welt leben müssen und sich nicht frei in drei Dimensionen bewegen können, wie immer angenommen wurde.“
Diese Art von Durchbrüchen könnten zu schrittweisen Veränderungen der Möglichkeiten der Wissenschaft und der Verwendung von Materialien wie Spin-Eis führen: möglicherweise in Spintronikein aufstrebendes Studiengebiet, das ein Upgrade der nächsten Generation der von uns heute verwendeten Elektronik bieten könnte.
„Neben der Erklärung vieler rätselhafter experimenteller Ergebnisse, die uns lange herausgefordert haben, hat die Entdeckung eines Mechanismus für die Entstehung eines neuen Fraktaltyps zu einer völlig unerwarteten Flugbahn unkonventioneller Bewegung geführt, die in drei Dimensionen auftritt.“ sagt der theoretische Physiker Roderich Mossner vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Deutschland.
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