Международная команда физиков исследовала магнитные свойства спинового льда. Ученые рассмотрели движение возникающих в нем магнитных монополей и пришли к выводу, что эти квазичастицы двигаются не в пространстве 3-х измерений, а во фрактальном пространстве дробной размерности 2,53 измерения. Новая теория помогла объяснить многие экспериментальные данные и в дальнейшем будет использована в спинтронике - электронике нового поколения.
Фракталы имеют дробную размерность. До сих пор казалось, что такая размерность — это только удобная абстракция. Но физики увидели дробно-размерное пространство в реальном веществе
Спиновые льды — это магнитные кристаллы, которые подчиняются тем же структурным правилам, что и водяной лед. Но структура магнитных кристаллов определяется не распределением электрических зарядов, как в обычных кристаллах, а направлением спинов. У спинового льда нет основного состояния, - минимального энергетического уровня, но есть много метастабильных состояний.
В структурах, подобных спиновому льду, возникают своего рода магнитные квазичастицы. Они ведут себя как магнитные заряды или магнитные монополи. Существование магнитного монополя - точечного магнитного заряда было предсказано Пьером Кюри и подробно описано Полем Дираком, но такой точечный магнитный заряд так и не был обнаружен в природе. Поэтому исследование квазичастиц, ведущих себя, как такой монополь, в спиновых льдах так важно физикам.
Движение в пространстве с 2,53 измерений
Международная группа исследователей обратила внимание на спиновой лед, образуемый титанатом диспрозия (Dy2Ti2O7). При определенных условиях в этом соединение появляются "магнитные монополи", как будто северный и южный магнитные полюсы разделяются и ведут себя как независимые частицы
Физики показали, что монополи не могут двигаться в трех измерениях: они ограничены 2,53-мерным пространством внутри фиксированной решетки. Фракталы - это структуры, которые имеют дробную размерность (например, размерность одного из самых известных фракталов - снежинки Коха - 1,26, это уже не линия, но еще не плоская фигура). Ученые создали модели атомарного масштаба, чтобы показать, что движение монополя ограничено дробно-размерной фрактальной структурой.
«Когда мы добавили дробную размерность в наши модели, сразу же появились фракталы», — говорит физик Джонатан Халлен из Кембриджского университета. — «Конфигурации спинов создавали сеть, по которой должны двигаться монополи. Сеть разветвлялась как фрактал».
«Мы знали, что в спиновых льдах происходит что-то действительно странное», — говорит физик Клаудио Кастельново из Кембриджского университета в Великобритании. — «После нескольких неудачных попыток объяснить возникающий "шум", мы, наконец, увидели, что монополи должны жить во фрактальном дробно-размерном мире, а не свободно перемещаться в трех измерениях, как всегда предполагалось».
Такого рода теоретические прорывы могут привести к изменениям в оценке возможностей, как можно использовать такие материалы, как спиновые льды: возможно, теперь их удастся применить в спинтронике, - новой области исследований, которая может предложить модернизацию электроники следующего поколения.