Пример фрактальных структур спинового льда вместе со знаменитым примером фрактала (множество Мандельброта) поверх фотографии водяного льда. Авторы и права: Джонатан Н. Халлен, Кавендишская лаборатория, Кембриджский университет.

Природа и свойства материалов сильно зависят от размера. Представьте, насколько жизнь в одномерном или двухмерном мире отличалась бы от трех измерений, к которым мы обычно привыкли. Имея это в виду, возможно, неудивительно, что фракталы — объекты с дробной размерностью — привлекли значительное внимание с момента их открытия. Несмотря на их кажущуюся странность, фракталы возникают в неожиданных местах — от снежинок и ударов молнии до естественных береговых линий.

Исследователи из Кембриджского университета, Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, Университета Теннесси и Национального университета Ла-Платы обнаружили совершенно новый тип фракталов, возникающих в классе магнитов, называемых спиновыми льдами.

Открытие было неожиданным, потому что фракталы были видны в чистом трехмерном кристалле, где их обычно нельзя было бы ожидать. Еще более примечательно то, что фракталы видны в динамических свойствах кристалла и скрыты в статических. Эти особенности послужили поводом для названия «эмерджентный динамический фрактал».

Результаты опубликованы в журнале Science 15 декабря.

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

Джонатан Халлен из Кембриджского университета является доктором философии студент и ведущий автор исследования. Он объясняет, что «при температурах чуть выше абсолютного нуля спины кристаллов образуют магнитную жидкость». Однако это не обычная жидкость.

«При небольшом количестве тепла правила льда нарушаются в небольшом количестве мест, и их северный и южный полюса, составляющие перевернутое вращение, отделяются друг от друга, путешествуя как независимые магнитные монополи», — объясняет Халлен.

Движение этих магнитных монополей привело к открытию здесь. Как отмечает профессор Клаудио Кастельново из Кембриджского университета: «Мы знали, что происходит что-то действительно странное. Результаты 30-летних экспериментов не совпадали».

Ссылаясь на новое исследование магнитного шума от монополей, опубликованное ранее в этом году, Кастельново продолжил: «После нескольких неудачных попыток объяснить результаты шума мы, наконец, осознали, что монополи должны жить во фрактальном мире и не перемещаясь свободно в трех измерениях, как всегда предполагалось».

Фактически, этот последний анализ магнитного шума показал, что мир монополя должен выглядеть не только трехмерным, но, если быть точным, 2,53-мерным. Профессор Родерих 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 ввели это в наши модели, сразу же возникли фракталы. Конфигурации спинов создавали сеть, по которой должны были двигаться монополи. Сеть разветвлялась как фрактал с точно правильным размером».

Но почему этого так долго не замечали?

Халлен уточнил, что «это был не тот статический фрактал, о котором мы обычно думаем. Вместо этого в более длительные периоды времени движение монополей фактически стирало и переписывало фрактал».

Это сделало фрактал невидимым для многих обычных 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, означает, что они не проявляются в стандартных измерениях теплового рассеяния и рассеяния нейтронов», — сказали Григера и Теннант. «Только потому, что шум измерял движение монополей, его наконец заметили».

Что касается значения результатов, Месснер объясняет: «Помимо объяснения нескольких загадочных экспериментальных результатов, которые долгое время бросали нам вызов, открытие механизма возникновения нового типа фракталов привело к совершенно неожиданному пути для исследования нетрадиционное движение должно происходить в трех измерениях».

В целом, исследователи заинтересованы в том, чтобы увидеть, какие другие свойства этих материалов можно предсказать или объяснить в свете нового понимания, полученного в их работе, включая связи с интригующими свойствами, такими как топология. Месснер сказал, что спиновой лед является одним из наиболее доступных примеров топологического магнита: «Способность спинового льда демонстрировать такие поразительные явления дает нам надежду на то, что он обещает дальнейшие удивительные открытия в совместной динамике даже простых топологических множеств систем организма».