Фрактальные узоры можно найти повсюду: от снежинок до молний и неровных береговых линий. Прекрасная на вид, их повторяющаяся природа также может вдохновить на математическое понимание хаоса физического ландшафта.
Новый пример этих математических странностей был обнаружен в типе магнитного вещества, известном как спиновой лед, и это может помочь нам лучше понять, как причудливое поведение, называемое магнитным монополем, возникает из его нестабильной структуры.
Спиновые льды — это магнитные кристаллы, которые подчиняются тем же структурным правилам, что и водяной лед, с уникальными взаимодействиями, определяемыми спинами их электронов, а не толчком и притяжением зарядов. В результате этой деятельности у них нет какого-то единого низкоэнергетического состояния минимальной активности. Вместо этого они почти шумно гудят даже при безумно низких температурах.
Из этого квантового шума возникает странное явление — характеристики, которые действуют как магниты только с одним полюсом. Хотя они не совсем гипотетические частицы магнитного монополя, которые, по мнению некоторых физиков, могут существовать в природе, они ведут себя достаточно похоже, что делает их достойными изучения.
Поэтому международная группа исследователей недавно обратила свое внимание на спиновой лед под названием титанат диспрозия. Когда к материалу прикладывается небольшое количество тепла, его типичные магнитные правила нарушаются, и появляются монополи, при этом северный и южный полюсы разделяются и действуют независимо.
Несколько лет назад группа исследователей идентифицировала сигнатурную активность магнитных монополей в квантовом гудении спинового льда из титаната диспрозия, но результаты оставили несколько вопросов о точной природе этих движений монополей.
В этом последующем исследовании физики поняли, что монополи не могут двигаться с полной свободой в трех измерениях. Вместо этого они были ограничены 2,53-мерной плоскостью внутри фиксированной решетки.
Ученые создали сложные модели атомарного масштаба, чтобы показать, что движение монополя было ограничено фрактальной структурой, которая стиралась и переписывалась в зависимости от условий и предыдущих движений.
«Когда мы добавили это в наши модели, сразу же появились фракталы», — говорит физик Джонатан Халлен из Кембриджского университета.
«Конфигурации спинов создавали сеть, по которой должны были двигаться монополи. Сеть разветвлялась как фрактал с точно правильным измерением».
Такое динамическое поведение объясняет, почему в обычных экспериментах раньше не учитывались фракталы. Именно шум, созданный вокруг монополей, в конце концов раскрыл, что они на самом деле делали, и фрактальную модель, которой они следовали.
«Мы знали, что происходит что-то действительно странное», — говорит физик Клаудио Кастельново из Кембриджского университета в Великобритании. «Результаты 30-летних экспериментов не совпали».
«После нескольких неудачных попыток объяснить шумовые результаты мы, наконец, осознали, что монополи должны жить во фрактальном мире, а не свободно перемещаться в трех измерениях, как всегда предполагалось».
Такого рода прорывы могут привести к резким изменениям в возможностях науки и в том, как можно использовать такие материалы, как спиновые льды: возможно, в спинтронике, новой области исследований, которая может предложить модернизацию электроники следующего поколения, которую мы используем сегодня.
«Помимо объяснения нескольких загадочных экспериментальных результатов, которые долгое время бросали нам вызов, открытие механизма возникновения нового типа фракталов привело к совершенно неожиданному пути нетрадиционного движения, которое может иметь место в трех измерениях», — говорит он. физик-теоретик Родерих Месснер из Института физики сложных систем им. Макса Планка в Германии.
No comments:
Post a Comment