تم اكتشاف نوع جديد من النمطي هندسي متكرر في الجليد المغناطيسي: ScienceAlert

يمكن العثور على أنماط كسورية في كل مكان من رقاقات الثلج إلى برق إلى الحواف الخشنة للخطوط الساحلية. من الجميل أن تراه ، طبيعتها المتكررة يمكن أن تلهم أيضًا رؤى رياضية في فوضى المشهد الطبيعي.

تم الكشف عن مثال جديد لهذه الشذوذ الرياضي في نوع من المادة المغناطيسية المعروفة باسم جليد الدوران ، ويمكن أن يساعدنا في فهم أفضل لكيفية ظهور سلوك غريب يسمى أحادي القطب المغناطيسي من بنيته غير المستقرة.

السبينات هي بلورات مغناطيسية تخضع لقواعد هيكلية مماثلة لجليد الماء ، مع تفاعلات فريدة تحكمها دوران إلكتروناتها بدلاً من دفع الشحنات وسحبها. نتيجة لهذا النشاط ، ليس لديهم أي حالة واحدة منخفضة الطاقة من الحد الأدنى من النشاط. وبدلاً من ذلك ، فإنهم يكادون يصدرون صوت ضجيج ، حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية.

تظهر ظاهرة غريبة من هذا الطنين الكمومي – خصائص تعمل مثل المغناطيس بقطب واحد فقط. في حين أنهم ليسوا افتراضيين تمامًا جسيمات أحادية القطب المغناطيسي يعتقد بعض الفيزيائيين أنه قد يكون موجودًا في الطبيعة ، فهم يتصرفون بطريقة مماثلة بما يكفي تجعلهم يستحقون الدراسة.

لذلك حوّل فريق دولي من الباحثين انتباههم مؤخرًا إلى جليد دوّار يسمى تيتانات الديسبروسيوم. عندما يتم تطبيق كميات صغيرة من الحرارة على المادة ، تنكسر قواعدها المغناطيسية النموذجية وتظهر أحاديات القطب ، مع فصل القطبين الشمالي والجنوبي ويعملان بشكل مستقل.

قبل عدة سنوات حدد فريق من الباحثين نشاطًا مغناطيسيًا أحادي القطب مميزًا في الطنين الكمومي للجليد الدوار تيتانات الديسبروسيوم ، ومع ذلك تركت النتائج بعض الأسئلة حول الطبيعة الدقيقة لهذه الحركات أحادية القطب.

في دراسة المتابعة هذه ، أدرك الفيزيائيون أن أحادية القطب لا تتحرك معها الحرية الكاملة في ثلاثة أبعاد. بدلاً من ذلك ، تم تقييدهم على مستوى 2.53 بعد داخل شبكة شعرية ثابتة.

ابتكر العلماء نماذج معقدة على المستوى الذري لإظهار أن الحركة أحادية القطب كانت مقيدة بنمط كسوري تم محوه وإعادة كتابته اعتمادًا على الظروف والحركات السابقة.

“عندما أدخلنا هذا في نماذجنا ، ظهرت الفركتلات على الفور ،” يقول الفيزيائي جوناثان هالين من جامعة كامبريدج.

“كانت تكوينات السبينات تنشئ شبكة يجب على الأحاديات أن تنتقل إليها. كانت الشبكة متفرعة كسورية ذات البعد الصحيح تمامًا.”

يفسر هذا السلوك الديناميكي سبب إغفال التجارب التقليدية للفركتلات سابقًا. كان الضجيج الذي تم إنشاؤه حول أحادي القطب هو الذي كشف في النهاية عما كانوا يفعلونه بالفعل والنمط الكسوري الذي كانوا يتبعونه.

“كنا نعلم أن هناك شيئًا غريبًا يحدث حقًا ،” يقول الفيزيائي كلاوديو كاستلنوفو من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة. “النتائج من 30 عامًا من التجارب لم تكن مجدية.”

“بعد عدة محاولات فاشلة لشرح نتائج الضوضاء ، كان لدينا أخيرًا لحظة يوريكا ، مدركين أن أحادي القطب يجب أن يعيش في عالم كسوري ولا يتحرك بحرية في ثلاثة أبعاد ، كما كان يُفترض دائمًا.”

يمكن أن تؤدي هذه الأنواع من الاختراقات إلى تغييرات تدريجية في إمكانيات العلم وكيف يمكن استخدام مواد مثل الجليد الدوراني: ربما في سبنترونيكس، مجال دراسة ناشئ يمكن أن يقدم ترقية من الجيل التالي على الإلكترونيات التي نستخدمها اليوم.

“إلى جانب شرح العديد من النتائج التجريبية المحيرة التي كانت تمثل تحديًا لنا لفترة طويلة ، أدى اكتشاف آلية لظهور نوع جديد من الفركتل إلى مسار غير متوقع تمامًا لحركة غير تقليدية تحدث في ثلاثة أبعاد ،” يقول الفيزيائي النظري رودريش موسنر من معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة في ألمانيا.

تم نشر البحث في علم.