Fizycy dobrze wiedzą, że właściwości układów fizycznych są uzależnione od ich wymiarowości. Żyjemy w świecie trójwymiarowym, a fraktale – obiekty o wymiarach nieintegralnych – są ich częścią. Występują w różnorodnych ustawieniach i skalach w całej przyrodzie – od płatków śniegu, przez uderzenia piorunów, po naturalne linie brzegowe.
Zespół uczonych z Uniwersytetu w Cambridge odkrył zupełnie nowy rodzaj fraktali pojawiających się w nietypowych materiałach zwanych lodami spinowymi. Nazwano je tzw. emergentnymi fraktalami dynamicznymi z dwóch powodów. Po pierwsze, występują w czystym, idealnym krysztale 3D, podczas gdy do typowe zachowania fraktalne wymagają obecności chaosu (nieporządku). Po drugie, fraktale w lodzie spinowym wynikają z reguł rządzących ewolucją czasową namagnesowania w tych układach. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Science.
Emergentne fraktale dynamiczne – co to takiego?
To zero bezwzględne determinuje, jak niska może być temperatura danego obiektu. W warunkach -273oC ustaje cały ruch, a entropia substancji (czyli miara stopnia nieuporządkowania materii) także powinna wynosić zero, zgodnie z trzecim prawem termodynamiki. Istnieją jednak wyjątki od tej reguły, a jednym z nich jest lód spinowy. W materiale tym atomowe momenty magnetyczne (spiny) pozostają nieuporządkowane w temperaturze zera bezwzględnego, co nadaje mu unikalne właściwości (monopole magnetyczne).
Czytaj też: Fraktale: wzór na rzeczywistość. Czym są te tajemnicze wzory?
To właśnie dynamika monopoli magnetycznych oraz wzajemne oddziaływanie ze strukturą atomową skutkuje pojawieniem się wzoru fraktalnego w krysztale bez zaburzeń. Procesy te udało się podejrzeć przy użyciu wielkoskalowych symulacji komputerowych oraz pomiarami o wysokiej rozdzielczości (w warunkach ultraniskich temperatur). Fraktale nie są wykrywalne poprzez pomiary statycznych właściwości – wytwarzają one charakterystyczny sygnał, który można zmierzyć.
Dr Jonathan N. Hallén z Uniwersytetu w Cambridge mówi:
Sygnatury tych fraktali były obserwowane w eksperymentach, niektóre pochodzące sprzed prawie dwóch dekad, a do tej pory zostały słabo poznane. Oprócz ogólnego zainteresowania i naukowej ciekawości naszych odkryć, wyjaśniamy w ten sposób również kilka zagadkowych wyników, które stanowiły wyzwanie dla społeczności naukowej.
Zdolność lodu spinowego do wykazywania tak niezwykłych właściwości niesie ze sobą obietnicę dalszych odkryć, także w kontekście dobrze znanych materiałów.