在干净的磁性晶体中发现动态分形

材料的性质和特性在很大程度上取决于尺寸。想象一下，一维或二维世界中的生活与我们通常习惯的三个维度会有多么不同。考虑到这一点，分形(具有分数维的物体)自发现以来就引起了广泛关注，这也许并不奇怪。尽管它们看起来很奇怪，但分形出现在令人惊讶的地方——从雪花和闪电到自然海岸线。

剑桥大学、德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所、田纳西大学和拉普拉塔国立大学的研究人员发现了一种全新的分形，出现在一类称为自旋冰的磁铁中。

这一发现令人惊讶，因为分形出现在一个干净的三维晶体中，而通常情况下它们是不会出现的。更值得注意的是，分形在晶体的动态特性中可见，而隐藏在静态特性中。这些特征激发了“新兴动力分形”的称谓。

研究结果发表在12月15日的《科学》杂志上。

分形是在材料钛酸镝的晶体中发现的，其中电子自旋表现得像微小的条形磁铁。这些自旋通过模仿质子在水冰中经历的约束的冰规则协作。对于钛酸镝，这会导致非常特殊的特性。

剑桥大学的乔纳森·哈伦(JonathanHallén)是一名博士。学生和该研究的主要作者。他解释说，“在略高于绝对零的温度下，晶体旋转形成磁流体。”然而，这不是普通的液体。

“由于热量很少，冰规则在少数地点及其北极和南极被打破，构成翻转自旋，彼此分离，作为独立的磁单极子移动，”Hallén解释道。

这些磁单极子的运动导致了这里的发现。同样来自剑桥大学的ClaudioCastelnovo教授指出，“我们知道发生了一些非常奇怪的事情。30年的实验结果并不一致。”

谈到今年早些时候发表的一项关于单极子磁噪声的新研究，Castelnovo继续说道，“在多次尝试解释噪声结果失败后，我们终于灵光一现，意识到单极子一定生活在分形世界中，并且不能像一直假设的那样在三个维度上自由移动。”

事实上，这项最新的磁噪声分析表明单极子的世界需要看起来低于三维，但准确地说是2.53维。德国马克斯普朗克复杂系统物理研究所所长RoderichMoessner教授和Castelnovo提出，自旋本身的量子隧穿可能取决于相邻自旋的行为。

正如Hallén解释的那样，“当我们将其输入到我们的模型中时，分形立即出现。自旋的配置正在创建一个单极子必须继续移动的网络。该网络正在分支为具有完全正确维度的分形。”

但是为什么这么久都没有看到这个?

Hallén详细解释说，“这不是我们通常认为的那种静态分形。相反，在更长的时间里，磁单极子的运动实际上会抹去并重写分形。”

这使得分形对于许多传统的实验技术来说是不可见的。

研究人员与拉普拉塔国立大学的SantiagoGrigera教授和田纳西大学的AlanTennant教授密切合作，成功地揭示了之前实验工作的意义。

“分形是动态的这一事实意味着它们没有出现在标准的热和中子散射测量中，”Grigera和Tennant说。“只是因为噪音正在测量磁单极子的运动，它才最终被发现。”

关于结果的意义，Moessner解释说，“除了解释几个长期以来一直挑战我们的令人费解的实验结果外，发现一种新型分形出现的机制导致了一条完全出乎意料的途径在三个维度上发生的非常规运动。”

总的来说，研究人员有兴趣了解这些材料的哪些其他特性可以根据他们的工作提供的新理解来预测或解释，包括与拓扑等有趣特性的联系。Moessner说，自旋冰是拓扑磁体最容易获得的实例之一，“自旋冰表现出这种惊人现象的能力使我们充满希望，它有望在甚至简单的拓扑多的合作动力学中有进一步惊人的发现——身体系统。”