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Jan 19, 2024

Frattale dinamico scoperto in un cristallo magnetico pulito

The nature and properties of materials depend strongly on dimension. Imagine how

La natura e le proprietà dei materiali dipendono fortemente dalla dimensione. Immagina quanto sarebbe diversa la vita in un mondo unidimensionale o bidimensionale rispetto alle tre dimensioni a cui siamo comunemente abituati. Con questo in mente, forse non sorprende che i frattali – oggetti con dimensione frazionaria – abbiano raccolto un’attenzione significativa sin dalla loro scoperta. Nonostante la loro apparente stranezza, i frattali nascono in luoghi sorprendenti: dai fiocchi di neve ai fulmini alle coste naturali.

Ricercatori dell'Università di Cambridge, dell'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi di Dresda, dell'Università del Tennessee e dell'Università Nacional de La Platahanno scoperto un tipo completamente nuovo di frattali che compaiono in una classe di magneti chiamati spin ice. La scoperta è stata sorprendente perché i frattali sono stati visti in un cristallo tridimensionale pulito, dove convenzionalmente non ci si aspetterebbe. Ancora più notevole è che i frattali sono visibili nelle proprietà dinamiche del cristallo e nascosti in quelle statiche. Queste caratteristiche hanno motivato l'appellativo di "frattale dinamico emergente".

I frattali sono stati scoperti nei cristalli del materiale titanato di disprosio, dove gli spin degli elettroni si comportano come minuscole barre magnetiche. Questi spin cooperano attraverso le regole del ghiaccio che imitano i vincoli che i protoni subiscono nell’acqua ghiacciata. Per il titanato di disprosio ciò porta a proprietà molto speciali.

Jonathan Hallén dell'Università di Cambridge è uno studente di dottorato e l'autore principale dello studio. Spiega che "a temperature appena superiori allo zero assoluto i cristalli ruotano formando un fluido magnetico". Tuttavia, questo non è un fluido normale.

"Con piccole quantità di calore le regole del ghiaccio si rompono in un piccolo numero di siti e nei loro poli nord e sud, formando la rotazione invertita, separati gli uni dagli altri viaggiando come monopoli magnetici indipendenti."

Il movimento di questi monopoli magnetici ha portato alla scoperta qui. Come sottolinea il professor Claudio Castelnovo, anch'egli dell'Università di Cambridge: "Sapevamo che stava succedendo qualcosa di veramente strano. I risultati di 30 anni di esperimenti non tornavano".

Riferendosi a un nuovo studio sul rumore magnetico dei monopoli pubblicato all'inizio di quest'anno, Castelnovo ha continuato: "Dopo diversi tentativi falliti di spiegare i risultati del rumore, abbiamo finalmente avuto un momento eureka, realizzando che i monopoli devono vivere in un mondo frattale e non muoversi liberamente in tre dimensioni, come si era sempre pensato."

In effetti, quest'ultima analisi del rumore magnetico ha mostrato che il mondo del monopolo doveva apparire meno che tridimensionale, o meglio 2,53 dimensionale per essere precisi! Il professor Roderich Moessner, direttore dell'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi in Germania, e Castelnovo hanno proposto che il tunneling quantistico degli spin stessi potesse dipendere da ciò che stavano facendo gli spin vicini.

Come ha spiegato Hallén, "Quando abbiamo inserito questo nei nostri modelli, sono emersi immediatamente i frattali. Le configurazioni degli spin stavano creando una rete su cui i monopoli dovevano muoversi. La rete si ramificava come un frattale con esattamente la giusta dimensione."

Ma perché questo era mancato per così tanto tempo?

Hallén ha spiegato che "questo non era il tipo di frattale statico a cui normalmente pensiamo. Invece, in tempi più lunghi il movimento dei monopoli avrebbe effettivamente cancellato e riscritto il frattale".

Ciò ha reso il frattale invisibile a molte tecniche sperimentali convenzionali.

Lavorando a stretto contatto con i professori Santiago Grigera dell'Universidad Nacional de La Plata e Alan Tennant dell'Università del Tennessee, i ricercatori sono riusciti a svelare il significato dei precedenti lavori sperimentali.

"Il fatto che i frattali siano dinamici significa che non si presentano nelle misurazioni standard della diffusione termica e dei neutroni", hanno affermato Grigera e Tennant. "È stato solo perché il rumore misurava il movimento dei monopoli che è stato finalmente individuato."