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Jan 19, 2024

Fractal Dinâmico Descoberto em Cristal Magnético Limpo

A natureza e as propriedades dos materiais dependem fortemente da dimensão. Imagine como

A natureza e as propriedades dos materiais dependem fortemente da dimensão. Imagine como a vida em um mundo unidimensional ou bidimensional seria diferente das três dimensões às quais estamos acostumados. Com isso em mente, talvez não seja surpreendente que os fractais – objetos com dimensão fracionária – tenham atraído atenção significativa desde sua descoberta. Apesar de sua aparente estranheza, os fractais surgem em lugares surpreendentes – de flocos de neve e relâmpagos a litorais naturais.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge, do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos em Dresden, da Universidade do Tennessee e da Universidade Nacional de La Platadescobriram um tipo totalmente novo de fractal aparecendo em uma classe de ímãs chamados gelos de rotação. A descoberta foi surpreendente porque os fractais foram vistos em um cristal tridimensional limpo, onde convencionalmente não seriam esperados. Ainda mais notável, os fractais são visíveis nas propriedades dinâmicas do cristal e ocultos nas propriedades estáticas. Essas características motivaram a denominação de "fractal dinâmico emergente".

Os fractais foram descobertos em cristais do material titanato de disprósio, onde os spins dos elétrons se comportam como minúsculos ímãs em barra. Esses giros cooperam por meio de regras de gelo que imitam as restrições que os prótons experimentam na água gelada. Para o titanato de disprósio, isso leva a propriedades muito especiais.

Jonathan Hallén, da Universidade de Cambridge, é um estudante de doutorado e o principal autor do estudo. Ele explica que "em temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto, os giros do cristal formam um fluido magnético". No entanto, este não é um fluido comum.

"Com pequenas quantidades de calor, as regras do gelo são quebradas em um pequeno número de locais e seus pólos norte e sul, formando o giro invertido, separados uns dos outros viajando como monopolos magnéticos independentes."

O movimento desses monopolos magnéticos levou à descoberta aqui. Como aponta o professor Claudio Castelnovo, também da Universidade de Cambridge: "Sabíamos que havia algo muito estranho acontecendo. Os resultados de 30 anos de experimentos não batiam".

Referindo-se a um novo estudo sobre o ruído magnético dos monopolos publicado no início deste ano, Castelnovo continuou: "Depois de várias tentativas fracassadas de explicar os resultados do ruído, finalmente tivemos um momento eureca, percebendo que os monopolos devem estar vivendo em um mundo fractal e não se movendo livremente em três dimensões, como sempre foi assumido."

Na verdade, esta última análise do ruído magnético mostrou que o mundo do monopolo precisava parecer menos do que tridimensional, ou melhor, 2,53 dimensionais para ser mais preciso! O professor Roderich Moessner, diretor do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha, e Castelnovo propuseram que o tunelamento quântico dos próprios spins poderia depender do que os spins vizinhos estavam fazendo.

Como Hallén explicou, "Quando colocamos isso em nossos modelos, os fractais surgiram imediatamente. As configurações dos spins estavam criando uma rede que os monopolos tinham que seguir em frente. A rede estava se ramificando como um fractal com exatamente a dimensão certa."

Mas por que isso foi esquecido por tanto tempo?

Hallén elaborou que, "este não era o tipo de fractal estático em que normalmente pensamos. Em vez disso, em tempos mais longos, o movimento dos monopolos realmente apagaria e reescreveria o fractal."

Isso tornou o fractal invisível para muitas técnicas experimentais convencionais.

Trabalhando em estreita colaboração com os professores Santiago Grigera, da Universidade Nacional de La Plata, e Alan Tennant, da Universidade do Tennessee, os pesquisadores conseguiram desvendar o significado dos trabalhos experimentais anteriores.

"O fato de os fractais serem dinâmicos significa que eles não apareceram nas medições padrão de dispersão térmica e de nêutrons", disseram Grigera e Tennant. "Foi apenas porque o ruído estava medindo o movimento dos monopolos que finalmente foi detectado."