Forskere opdager fraktale mønstre i et kvantemateriale

En fraktal er ethvert geometrisk mønster, der opstår igen og igen, i forskellige størrelser og skalaer, inden for det samme objekt. Denne "selvlighed" kan ses i hele naturen, for eksempel i en snefnugs kant, et flodnetværk, spaltningsårerne i en bregne, og lynets knitrende gafler.

Nu har fysikere på MIT og andre steder for første gang opdaget fraktallignende mønstre i et kvantemateriale-et materiale, der udviser mærkelig elektronisk eller magnetisk adfærd, som et resultat af kvante, atomvirkninger.

Det pågældende materiale er neodym nikkeloxid, eller NdNiO ₃ , en sjælden jordnikkel, der kan virke, paradoksalt nok, som både en elektrisk leder og isolator, afhængig af dens temperatur. Materialet er tilfældigvis også magnetisk, selvom orienteringen af ​​dens magnetisme ikke er ensartet i hele materialet, men ligner snarere et patchwork af "domæner". Hvert domæne repræsenterer et område af materialet med en bestemt magnetisk orientering, og domæner kan variere i størrelse og form i hele materialet.

I deres undersøgelse, forskerne identificerede et fraktallignende mønster inden for teksturen af ​​materialets magnetiske domæner. De fandt ud af, at fordelingen af ​​domænestørrelser ligner en nedadgående hældning, afspejler et større antal små domæner og et lavere antal store domæner. Hvis forskerne zoome ind på en del af den samlede fordeling - sig f.eks. et stykke mellemstore domæner-de observerede det samme nedadgående skrå mønster, med et større antal mindre versus større domæner.

Det viser sig, den samme fordeling vises gentagne gange i hele materialet, uanset størrelsesinterval, eller skala, hvor det observeres - en kvalitet, som holdet anerkendte som fraktal i naturen.

"Domænemønsteret var svært at tyde i starten, men efter at have analyseret statistikkerne over domænefordeling, vi indså, at det havde en fraktal adfærd, "siger Riccardo Comin, adjunkt i fysik ved MIT. "Det var helt uventet - det var serendipitet."

Forskere undersøger neodym nikkeloxid til forskellige anvendelser, herunder som en mulig byggesten for neuromorfe enheder - kunstige systemer, der efterligner biologiske neuroner. Ligesom en neuron kan være både aktiv og inaktiv, afhængigt af den spænding, den modtager, NdNiO3 kan være en leder eller en isolator. Comin siger, at en forståelse af materialets nanoskala magnetiske og elektroniske teksturer er afgørende for at forstå og konstruere andre materialer til lignende anvendelsesområder.

Comin og hans kolleger, herunder hovedforfatter og MIT -kandidatstuderende Jiarui Li, har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Fyrtårne, fokuseret igen

Comin og Li havde ikke til hensigt at finde fraktaler i et kvantemateriale. I stedet, holdet studerede effekten af ​​temperatur på materialets magnetiske domæner.

"Materialet er ikke magnetisk ved alle temperaturer, "Comin siger." Vi ville se, hvordan disse domæner dukker op og vokser, når den magnetiske fase er nået ved afkøling af materialet. "

At gøre det, holdet måtte udtænke en måde at måle materialets magnetiske domæner på nanoskalaen, da nogle domæner kan være så små som flere atomer brede, mens andre spænder over titusinder af atomer på tværs.

Forskere bruger ofte røntgenstråler til at undersøge et materiales magnetiske egenskaber. Her, lavenergirøntgenstråler, kendt som bløde røntgenstråler, blev brugt til at fornemme materialets magnetiske orden og dets konfiguration. Comin og kolleger udførte disse undersøgelser ved hjælp af National Synchrotron Light Source II på Brookhaven National Laboratory, hvor en massiv, ringformet partikelaccelerator slynger elektroner rundt med milliarderne. De lyse stråler af bløde røntgenstråler produceret af denne maskine er et værktøj til den mest avancerede karakterisering af materialer.

"Men stadig, denne røntgenstråle er ikke nanoskopisk, "Comin siger." Så vi vedtog en særlig løsning, der gør det muligt at presse denne stråle ned til et meget lille fodaftryk, så vi kunne kortlægge, punkt for punkt, arrangementet af magnetiske domæner i dette materiale. "

Til sidst, forskerne udviklede en ny røntgenfokuserende linse baseret på et design, der har været brugt i fyrtårne ​​i århundreder. Deres nye røntgensonde er baseret på Fresnel-objektivet, en type sammensat linse, der ikke er lavet af en enkelt, buet glasplade, men fra mange glasstykker, indrettet til at fungere som en buet linse. I fyrtårne, et Fresnel -objektiv kan strække sig over flere meter, og det bruges til at fokusere diffust lys, der produceres af en lys lampe, i en retningsstråle, der leder skibe til søs. Comins team fremstillede et lignende objektiv, dog meget mindre, i størrelsesordenen omkring 150 mikron bred, at fokusere en blød røntgenstråle på flere hundrede mikrometer i diameter, ned til omkring 70 nanometer bred.

"Det skønne ved dette er, vi bruger begreber fra geometrisk optik, der har været kendt i århundreder, og er blevet anvendt i fyrtårne, og vi skalerer dem bare ned med en faktor 10, 000 eller deromkring, "Siger Comin.

Fraktale teksturer

Ved hjælp af deres specielle røntgenfokuserende linse, forskerne, ved Brookhavens synkrotron lyskilde, fokuserede indkommende bløde røntgenstråler stråler ud på en tynd film af neodym nikkeloxid. Derefter scannede de de meget mindre, nanoskopisk røntgenstråle hen over prøven for at kortlægge størrelsen, form, og orientering af magnetiske domæner, punkt for punkt. De kortlagde prøven ved forskellige temperaturer, bekræfter, at materialet blev magnetisk, eller dannede magnetiske domæner, under en bestemt kritisk temperatur. Over denne temperatur, domæner forsvandt, og den magnetiske orden blev effektivt slettet.

Interessant nok, gruppen fandt ud af, at hvis de afkølede prøven ned til under den kritiske temperatur, de magnetiske domæner dukkede op igen næsten samme sted som før.

"Så det viser sig, at systemet har hukommelse, "Comin siger." Materialet bevarer en hukommelse om, hvor de magnetiske bits ville være. Dette var også meget uventet. Vi troede, at vi ville se en helt ny domænefordeling, men vi så det samme mønster genopstå, selv efter tilsyneladende helt at have slettet disse magnetiske bits. "

Efter kortlægning af materialets magnetiske domæner, og måling af hvert domænes størrelse forskerne tællede antallet af domæner af en given størrelse, og tegnet deres nummer som en funktion af størrelse. Den resulterende fordeling lignede en nedadgående hældning - et mønster, de fandt, igen og igen, uanset hvilket område af domænestørrelse de fokuserede på.

"Vi har observeret teksturer af unik rigdom, der spænder over flere rumlige skalaer, "Siger Li." Mest påfaldende, vi har fundet ud af, at disse magnetiske mønstre har en fraktal karakter. "

Comin siger, at forståelse af, hvordan et materiales magnetiske domæner arrangeres på nanoskalaen, og vel vidende at de udviser hukommelse, er nyttig, for eksempel ved design af kunstige neuroner, og modstandsdygtig, magnetiske datalagringsenheder.

"Ligesom magnetiske diske i roterende harddiske, man kan forestille sig at gemme bidder af information i disse magnetiske domæner, "Comin siger." Hvis materialet har en slags hukommelse, du kunne have et system, der er robust mod eksterne forstyrrelser, så selvom det udsættes for varme, oplysningerne går ikke tabt. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.