Bir su buzu fotoğrafının üzerinde ünlü bir fraktal örneği (Mandelbrot seti) ile birlikte dönen buzdaki fraktal yapıların örneği. Kredi: Jonathan N. Hallén, Cavendish Laboratuvarı, Cambridge Üniversitesi
Malzemelerin özellikleri ve özellikleri, boyutlarından büyük ölçüde etkilenir. Aşina olduğumuz üç boyuta kıyasla tek boyutlu veya iki boyutlu bir dünyada yaşamak arasındaki farkları hayal edin. Bu nedenle kesirli boyutlara sahip olan fraktallar keşfedildikleri andan itibaren ilgi konusu olmuştur. Alışılmadık görünseler de fraktallar, kar tanelerinden şimşek çakmalarına ve doğal kıyı şeritlerine kadar çeşitli yerlerde bulunabilir.
Cambridge Üniversitesi, Dresden’deki Max Planck Karmaşık Sistemlerin Fiziği Enstitüsü’ndeki araştırmacılar , Tennessee Üniversitesi ve Universidad Nacional de La Plata, spin buz adı verilen bir mıknatıs sınıfında ortaya çıkan tamamen yeni bir fraktal türü ortaya çıkardı. Keşif şaşırtıcıydı çünkü fraktallar, geleneksel olarak beklenmeyecekleri temiz bir üç boyutlu kristalde görüldü. Daha da dikkat çekici bir şekilde, fraktallar kristalin dinamik özelliklerinde görünür ve statik olanlarda gizlidir. Bu özellikler, “ortaya çıkan dinamik fraktal” unvanını motive etti.
Fraktallar, elektron spinlerinin minik çubuk mıknatıslar gibi davrandığı, disprosyum titanat malzemesinin kristallerinde keşfedildi. Bu dönüşler, protonların su buzunda yaşadığı kısıtlamaları taklit eden buz kuralları aracılığıyla işbirliği yapar. Bu, disprosyum titanat için çok özel özelliklere yol açar.
Cambridge Üniversitesi’nden Jonathan Hallén, doktora derecesine sahiptir. öğrenci ve çalışmanın baş yazarı. “Mutlak sıfırın biraz üzerindeki sıcaklıklarda kristalin manyetik bir sıvı oluşturduğunu” açıklıyor. Bununla birlikte, bu sıradan bir sıvı değildir.
“Küçük miktarlarda ısıyla, az sayıda bölgede ve bunların kuzey ve güney kutuplarında buz kuralları bozulur, ters çevrilmiş dönüşü oluşturur, birbirinden ayrı seyahat eder. bağımsız manyetik monopoller olarak.”
Bu manyetik monopollerin hareketi, buradaki keşfin yapılmasına yol açtı. Yine Cambridge Üniversitesi’nden Profesör Claudio Castelnovo’nun belirttiği gibi: “Gerçekten garip bir şeyler olduğunu biliyorduk. 30 yıllık deneylerin sonuçları birbirini tutmadı.”
Bu yılın başlarında yayınlanan tek kutuplardan gelen manyetik gürültü üzerine yeni bir araştırmaya atıfta bulunan Castelnovo şöyle devam etti: “Gürültü sonuçlarını açıklamaya yönelik birkaç başarısız girişimin ardından, sonunda bir eureka anı yaşadık ve tek kutupların her zaman varsayıldığı gibi fraktal bir dünyada yaşıyor olmaları ve üç boyutta serbestçe hareket etmemeleri gerektiğini fark ettik.”
Aslında, manyetik gürültüye ilişkin bu son analiz şunu gösterdi: tek kutuplunun dünyasının kesin olması için üç boyutludan daha az, daha doğrusu 2,53 boyutlu görünmesi gerekiyordu! Almanya’daki Max Planck Karmaşık Sistemlerin Fiziği Enstitüsü Direktörü Profesör Roderich Moessner ve Castelnovo, dönüşlerin kuantum tünellemesinin komşu dönüşlerin ne yaptığına bağlı olabileceğini öne sürdüler.
Halén’in açıkladığı gibi, “Bunu modellerimize eklediğimizde, hemen fraktallar ortaya çıktı. Döndürmelerin konfigürasyonları, tek kutupluların hareket etmesi gereken bir ağ oluşturuyordu. Ağ, tam olarak doğru boyuta sahip bir fraktal olarak dallanıyordu.”
Ama bu neden bu kadar uzun süredir gözden kaçmıştı?
Hallén, “bu tür bir statik fraktal değildi. normalde düşünürüz. Bunun yerine, daha uzun zamanlarda tek kutupların hareketi aslında fraktalı siler ve yeniden yazardı.”
Bu, fraktalı birçok geleneksel deneysel teknik için görünmez hale getirdi.
Fraktal Üniversitesi’nden Profesör Santiago Grigera ile yakın çalışma Universidad Nacional de La Plata ve Tennessee Üniversitesi’nden Alan Tennant, araştırmacılar önceki deneysel çalışmaların anlamını çözmeyi başardılar.
“Fraktalların dinamik olmaları, standart olarak görünmedikleri anlamına geliyordu. termal ve nötron saçılma ölçümleri,” dedi Grigera ve Tennant. “Gürültü, tek kutupların hareketini ölçtüğü için nihayet tespit edildi.”
Son zamanlarda Science dergisinde yayınlanan sonuçların önemi konusunda Moessner şöyle açıklıyor: “Birkaç açıklamanın yanı sıra, Uzun süredir bizi zorlayan şaşırtıcı deneysel sonuçlara rağmen, yeni bir fraktal türünün ortaya çıkması için bir mekanizmanın keşfi, üç boyutta alışılmamış hareketin gerçekleşmesi için tamamen beklenmedik bir rotaya yol açtı.”
{6 }Genel olarak, araştırmacılar, topoloji gibi merak uyandıran özelliklerle bağlantılar da dahil olmak üzere, çalışmalarının sağladığı yeni anlayış ışığında bu malzemelerin başka hangi özelliklerinin tahmin edilebileceğini veya açıklanabileceğini görmekle ilgileniyorlar. Bir topolojik mıknatısın en erişilebilir örneklerinden biri olan spinbuz ile Moessner, “dönen buzun bu tür çarpıcı fenomenleri sergileme kapasitesi, basit topolojik birçok- vücut sistemleri.”
Referans: “Temiz bir manyetik kristalde dinamik fraktal ve anormal gürültü” yazan Jonathan N. Hallén, Santiago A. Grigera, D. Alan Tennant, Claudio Castelnovo ve Roderich Moessner, 15 Aralık 2022, Bilim.
DOI: 10.1126/science.add1644