Фрактальні візерунки можна знайти скрізь, від сніжинок до блискавок і нерівних країв узбережжя. Красиві на вигляд, їх повторювана природа також може надихнути на математичні розуміння хаосу фізичного ландшафту.
Новий приклад цих математичних дивацтв було виявлено в типі магнітної речовини, відомому як спіновий лід, і це може допомогти нам краще зрозуміти, як химерна поведінка, звана магнітним монополем, виникає з його нестабільної структури.
Спіновий лід — це магнітні кристали, які підкоряються структурним правилам, подібним до водяного льоду, з унікальною взаємодією, що регулюється спіном їхніх електронів, а не поштовхом і притягуванням зарядів. В результаті цієї активності вони не мають жодного єдиного низькоенергетичного стану мінімальної активності. Натомість вони майже шумно дзижчать навіть при шалено низьких температурах.
З цього квантового дзижчання виникає дивний феномен – характеристики, які діють як магніти лише з одним полюсом. Хоча вони не є гіпотетичними магнітними монопольними частинками , які, на думку деяких фізиків, можуть існувати в природі, вони поводяться досить подібним чином, що робить їх вартою вивчення.
Тож міжнародна група дослідників нещодавно звернула увагу на спіновий лід під назвою титанат диспрозію. Коли до матеріалу прикладається невелика кількість тепла, його типові магнітні правила порушуються, і з’являються монополи, причому північний і південний полюси розділяються і діють незалежно.
Кілька років тому група дослідників виявила характерну магнітну монопольну активність у квантовому дзижчанні спінового льоду титанату диспрозію, але результати залишили кілька запитань щодо точної природи цих монопольних рухів.
У цьому подальшому дослідженні фізики зрозуміли, що монополі не рухаються абсолютно вільно в трьох вимірах . Замість цього вони були обмежені площиною розміром 2,53 всередині фіксованої решітки.
Вчені створили складні моделі в атомному масштабі, щоб показати, що рух монополя був обмежений фрактальним візерунком, який стирався і переписувався залежно від умов і попередніх рухів.
«Коли ми ввели це в наші моделі, одразу з’явилися фрактали», — каже фізик Джонатан Хален з Кембриджського університету.
«Конфігурації обертів створювали мережу, за якою мали рухатися монополи. Мережа розгалужувалася як фрактал з точно відповідним розміром».
Ця динамічна поведінка пояснює, чому звичайні експерименти раніше пропускали фрактали. Саме шум, створений навколо монополів, зрештою показав, що вони насправді робили, і фрактальну схему, за якою вони слідували.
«Ми знали, що відбувається щось справді дивне», — каже фізик Клаудіо Кастельново з Кембриджського університету у Великобританії. «Результати 30 років експериментів не підійшли».
«Після кількох невдалих спроб пояснити результати шуму ми нарешті відчули момент еврики, усвідомивши, що монополи, мабуть, живуть у фрактальному світі, а не вільно рухаються в трьох вимірах, як завжди припускали».
Подібного роду прориви можуть призвести до різких змін у можливостях науки та способах використання таких матеріалів, як спін-лід: можливо, у спінтроніці , новій галузі досліджень, яка може запропонувати оновити електроніку нового покоління, яку ми використовуємо сьогодні.
«Крім пояснення кількох дивовижних експериментальних результатів, які викликали нас протягом тривалого часу, відкриття механізму появи нового типу фрактала призвело до абсолютно несподіваного шляху для нетрадиційного руху, який має місце у трьох вимірах», — говорить фізик-теоретик Родеріх Месснер з Інституту фізики складних систем Макса Планка в Німеччині.
