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Jan 19, 2024

Une fractale dynamique découverte dans un cristal magnétique propre

La nature et les propriétés des matériaux dépendent fortement de la dimension. Imaginez comment

La nature et les propriétés des matériaux dépendent fortement de la dimension. Imaginez à quel point la vie dans un monde unidimensionnel ou bidimensionnel serait différente des trois dimensions auxquelles nous sommes couramment habitués. Dans cet esprit, il n'est peut-être pas surprenant que les fractales - des objets à dimension fractionnaire - aient suscité une attention considérable depuis leur découverte. Malgré leur étrangeté apparente, les fractales apparaissent dans des endroits surprenants, des flocons de neige et des éclairs aux côtes naturelles.

Chercheurs de l'Université de Cambridge, de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, de l'Université du Tennessee et de l'Universidad Nacional de La Plataont découvert un tout nouveau type de fractale apparaissant dans une classe d'aimants appelés glaces de spin. La découverte a été surprenante car les fractales ont été vues dans un cristal tridimensionnel propre, là où elles ne seraient normalement pas attendues. Plus remarquable encore, les fractales sont visibles dans les propriétés dynamiques du cristal, et cachées dans les propriétés statiques. Ces caractéristiques ont motivé l'appellation de "fractale dynamique émergente".

Les fractales ont été découvertes dans des cristaux de titanate de dysprosium, où les spins électroniques se comportent comme de minuscules barreaux magnétiques. Ces spins coopèrent grâce à des règles de glace qui imitent les contraintes subies par les protons dans la glace d'eau. Pour le titanate de dysprosium, cela conduit à des propriétés très particulières.

Jonathan Hallén de l'Université de Cambridge est doctorant et auteur principal de l'étude. Il explique qu'"à des températures légèrement au-dessus du zéro absolu, les spins du cristal forment un fluide magnétique". Ce n'est pas un fluide ordinaire, cependant.

"Avec de petites quantités de chaleur, les règles de la glace sont enfreintes dans un petit nombre de sites et leurs pôles nord et sud, constituant le spin inversé, séparés les uns des autres, voyageant comme des monopôles magnétiques indépendants."

Le mouvement de ces monopôles magnétiques a conduit à la découverte ici. Comme le souligne le professeur Claudio Castelnovo, également de l'Université de Cambridge : "Nous savions qu'il se passait quelque chose de vraiment étrange. Les résultats de 30 ans d'expériences ne correspondaient pas."

Se référant à une nouvelle étude sur le bruit magnétique des monopôles publiée plus tôt cette année, Castelnovo a poursuivi : « Après plusieurs tentatives infructueuses pour expliquer les résultats du bruit, nous avons finalement eu un moment eureka, réalisant que les monopôles doivent vivre dans un monde fractal et ne se déplaçant pas librement en trois dimensions, comme on l'avait toujours supposé."

En fait, cette dernière analyse du bruit magnétique a montré que le monde du monopole devait avoir l'air moins tridimensionnel, ou plutôt 2,53 dimensionnel pour être précis ! Le professeur Roderich Moessner, directeur de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes en Allemagne, et Castelnovo ont proposé que l'effet tunnel quantique des spins eux-mêmes puisse dépendre de ce que faisaient les spins voisins.

Comme l'a expliqué Hallén, "Lorsque nous avons introduit cela dans nos modèles, des fractales ont immédiatement émergé. Les configurations des spins créaient un réseau sur lequel les monopôles devaient se déplacer. Le réseau se ramifiait comme une fractale avec exactement la bonne dimension."

Mais pourquoi cela avait-il été manqué pendant si longtemps ?

Hallén a expliqué que "ce n'était pas le genre de fractale statique à laquelle nous pensons normalement. Au lieu de cela, à des moments plus longs, le mouvement des monopôles effacerait et réécrirait en fait la fractale."

Cela a rendu la fractale invisible à de nombreuses techniques expérimentales conventionnelles.

Travaillant en étroite collaboration avec les professeurs Santiago Grigera de l'Universidad Nacional de La Plata et Alan Tennant de l'Université du Tennessee, les chercheurs ont réussi à démêler le sens des travaux expérimentaux précédents.

"Le fait que les fractales soient dynamiques signifiait qu'elles n'apparaissaient pas dans les mesures standard de diffusion thermique et neutronique", ont déclaré Grigera et Tennant. "C'est seulement parce que le bruit mesurait le mouvement des monopôles qu'il a finalement été repéré."

En ce qui concerne l'importance des résultats, qui paraissent dans Science cette semaine, Moessner explique : "En plus d'expliquer plusieurs résultats expérimentaux déroutants qui nous interpellent depuis longtemps, la découverte d'un mécanisme d'émergence d'un nouveau type de fractale a a conduit à une voie totalement inattendue pour que le mouvement non conventionnel se produise en trois dimensions."

Dans l'ensemble, les chercheurs sont intéressés de voir quelles autres propriétés de ces matériaux peuvent être prédites ou expliquées à la lumière des nouvelles connaissances fournies par leurs travaux, y compris les liens avec des propriétés intrigantes comme la topologie. La glace de spin étant l'un des exemples les plus accessibles d'un aimant topologique, a déclaré Moessner, "la capacité de la glace de spin à présenter des phénomènes aussi frappants nous donne l'espoir qu'elle promet d'autres découvertes surprenantes dans la dynamique coopérative de plusieurs topologiques même simples. systèmes corporels. »

- Ce communiqué de presse a été fourni par l'Université de Cambridge