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Jan 19, 2024

きれいな磁性結晶で動的フラクタルを発見

Le proprietà e le proprietà dei materiali dipendono fortemente dalle loro dimensioni.Immagina come

材料の性質と特性は寸法に大きく依存します。 1 次元または 2 次元の世界での生活が、私たちがよく慣れ親しんでいる 3 次元の世界とどれほど異なるかを想像してみてください。 これを念頭に置くと、フラクタル (分数次元を持つオブジェクト) が発見以来大きな注目を集めていることはおそらく驚くべきことではありません。 一見奇妙に見えますが、フラクタルは雪の結晶や落雷から自然の海岸線に至るまで、驚くべき場所で発生します。

ケンブリッジ大学、ドレスデンのマックス・プランク複雑系物理研究所、テネシー大学、ラプラタ国立大学の研究者全く新しいタイプを発見したスピンアイスと呼ばれる磁石の一種に現れるフラクタル。 この発見は驚くべきものであった。というのは、フラクタルは、従来は予期されなかったきれいな三次元結晶の中で観察されたからである。 さらに驚くべきことに、フラクタルは結晶の動的特性に表示され、静的特性には隠されています。 これらの特徴は、「創発動的フラクタル」という名称の動機となった。

フラクタルは、電子スピンが小さな棒磁石のように振る舞うチタン酸ジスプロシウムという材料の結晶内で発見されました。 これらのスピンは、水の氷の中で陽子が経験する制約を模倣する氷の法則を通じて連携します。 チタン酸ジスプロシウムの場合、これは非常に特殊な特性をもたらします。

ケンブリッジ大学のジョナサン・ハレンは博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者です。 彼は、「絶対零度よりわずかに高い温度では、結晶の回転が磁性流体を形成する」と説明しています。 しかし、これは普通の液体ではありません。

「微量の熱により、少数のサイトとそのN極とS極で氷の法則が壊れ、反転したスピンを構成し、互いに分離して独立した磁気単極子として移動します。」

これらの磁気単極子の運動が今回の発見につながりました。 同じくケンブリッジ大学のクラウディオ・カステルノヴォ教授は、「何か本当に奇妙なことが起こっていることは分かっていた。30年間の実験の結果は合っていなかった。」と指摘している。

今年初めに発表されたモノポールからの磁気ノイズに関する新しい研究についてカステルノボ氏は続けて、「ノイズの結果を説明しようとして何度か試みて失敗した後、ついにモノポールがフラクタルの世界に住んでいて、いつも想定されていたように、三次元で自由に動くことはできません。」

実際、磁気ノイズのこの最新の分析では、モノポールの世界は 3 次元未満、正確に言えば 2.53 次元に見える必要があることがわかりました。 ドイツのマックス・プランク複雑系物理研究所所長ローデリッヒ・メスナー教授とカステルノボ教授は、スピン自体の量子トンネリングは隣接するスピンの動作に依存する可能性があると提案した。

ハレン氏が説明したように、「これをモデルに入力すると、すぐにフラクタルが現れました。スピンの構成により、モノポールが移動する必要があるネットワークが作成されました。ネットワークは、正確に正しい次元のフラクタルとして分岐していました。」

しかし、なぜこれが長い間見逃されていたのでしょうか？

ハレン氏は、「これは私たちが通常考えるような静的なフラクタルではありませんでした。代わりに、より長い時間では、単極子の運動が実際にフラクタルを消去し、書き換えることになります。」と詳しく説明しました。

これにより、フラクタルは多くの従来の実験手法では見えなくなりました。

研究者らは、ラプラタ国立大学のサンティアゴ・グリゲラ教授とテネシー大学のアラン・テナント教授と緊密に協力し、これまでの実験研究の意味を解明することに成功した。

「フラクタルが動的であるという事実は、フラクタルが標準的な熱散乱および中性子散乱測定では現れないことを意味します」とグリゲラ氏とテナント氏は述べた。 「最終的に発見されたのは、ノイズがモノポールの動きを測定していたからにすぎません。」

今週のサイエンス誌に掲載される結果の重要性について、メスナー氏は次のように説明している。「長い間私たちに挑戦してきたいくつかの不可解な実験結果を説明することに加えて、新しいタイプのフラクタルの出現メカニズムの発見は、まったく予想外のルートで、型破りな動きが三次元で起こることになりました。」

全体として、研究者らは、トポロジーなどの興味深い特性との関連を含め、研究によってもたらされた新たな理解に照らして、これらの材料の他の特性が予測または説明される可能性があるかどうかを確認することに興味を持っています。 スピンアイスはトポロジカル磁石の最もアクセスしやすい例の1つであるため、メスナー教授は、「スピンアイスがそのような驚くべき現象を示す能力を持っていることにより、スピンアイスが、たとえ単純なトポロジカル磁石の協調ダイナミクスにおいてもさらに驚くべき発見を期待できると期待している」と述べた。体のシステム。」

- このプレスリリースはケンブリッジ大学から提供されました。