Descubren un nuevo tipo de fractal en el hielo magnético: ScienceAlert

Los patrones fractales se pueden encontrar en todas partes, desde copos de nieve hasta rayo a los bordes irregulares de las costas. Hermosos a la vista, su naturaleza repetitiva también puede inspirar conocimientos matemáticos en medio del caos del paisaje físico.

Se ha descubierto un nuevo ejemplo de estas peculiaridades matemáticas en un tipo de sustancia magnética conocida como espín de hielo, y podría ayudarnos a comprender mejor cómo surge un comportamiento extraño llamado monopolo magnético de su estructura inestable.

Los espines son cristales magnéticos que obedecen reglas estructurales similares a los hielos de agua, con interacciones únicas gobernadas por los espines de sus electrones en lugar del tira y afloja de las cargas. Como resultado de esta actividad, no tienen un único estado mínimo de actividad de baja energía. En cambio, casi zumban con ruido, incluso en temperaturas increíblemente bajas.

De este zumbido cuántico surge un fenómeno extraño: características que actúan como imanes unipolares. Incluso si no son exactamente hipotéticos partículas de monopolo magnético algunos físicos piensan que pueden existir en la naturaleza, se comportan de manera tan similar que vale la pena estudiarlos.

Entonces, un equipo internacional de investigadores recientemente centró su atención en un hielo giratorio llamado titanato de disprosio. Cuando se aplican pequeñas cantidades de calor al material, sus reglas magnéticas típicas se rompen y aparecen monopolos, con los polos norte y sur separándose y actuando de forma independiente.

Muchos años atrás Un equipo de investigadores ha identificado la actividad monopolar magnética distintiva en el zumbido cuántico de un hielo de espín de titanato de disprosio, pero los resultados han dejado algunas dudas sobre la naturaleza exacta de estos movimientos monopolares.

En este estudio de seguimiento, los físicos se dieron cuenta de que los monopolios no se estaban moviendo completa libertad en tres dimensiones. En cambio, estaban limitados a un plano de 2,53 dimensiones dentro de una red fija.

Los científicos crearon modelos complejos a escala atómica para mostrar que el movimiento de los monopolos estaba restringido en un patrón fractal que se borraba y reescribía según las condiciones y los movimientos anteriores.

«Cuando conectamos esto a nuestros modelos, los fractales surgieron de inmediato». dice el físico Jonathan Hallén de la Universidad de Cambridge.

«Las configuraciones de los giros estaban creando una red en la que los monopolios tenían que moverse. La red se ramificó como un fractal con exactamente el tamaño correcto».

Este comportamiento dinámico explica por qué los experimentos convencionales habían pasado por alto los fractales anteriormente. Fue el ruido creado alrededor de los monopolios lo que finalmente reveló lo que realmente estaban haciendo y el patrón fractal que estaban siguiendo.

«Sabíamos que algo realmente extraño estaba pasando», dice el físico Claudio Castelnovo de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. «Los resultados de 30 años de experimentos no cuadraron».

«Después de varios intentos fallidos de explicar los resultados del ruido, finalmente tuvimos un momento eureka, al darnos cuenta de que los monopolios deben vivir en un mundo fractal y no moverse libremente en tres dimensiones, como siempre se había supuesto».

Este tipo de descubrimientos pueden conducir a cambios radicales en las posibilidades de la ciencia y en la forma en que se pueden utilizar materiales como el espín de hielo: tal vez en espintrónicaun campo de estudio emergente que podría ofrecer una actualización de próxima generación en la electrónica que usamos hoy.

«Además de explicar varios resultados experimentales desconcertantes que nos han desafiado durante mucho tiempo, el descubrimiento de un mecanismo para la aparición de un nuevo tipo de fractal ha llevado a un camino completamente inesperado para que ocurra un movimiento no convencional en tres dimensiones». dice el físico teórico Roderich Moessner del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania.

La investigación fue publicada en Ciencias.