Manyetik Kuantum Maddede Fraktal Yapılar

MIT fizikçileri önce kuantum maddenin manyetik yapılanmasında fraktal bir düzen olduğunu keşfettiler.

Kar taneleri içinde gördüğümüz tekrarlanan geometrik özellikler, fraktal yapıların en belirgin özelliklerinden biridir. MIT fizikçileri ilk kez kuantum maddenin manyetik yapılanmasında fraktal bir düzen olduğunu keşfettiler.

Fraktal yapılar, farklı boyutlarda ve ölçeklerde geometrik bir desenin tekrarlanmasıyla oluşur ve doğada kar taneleri, dere ağları, salyangoz kabukları, eğrelti dalları, yıldırımın çatallanması gibi birçok formla karşılaşırız.

MIT fizikçileri fraktal yapıların atomaltı malzemelerde de bulunduğunu keşfettiler. Söz konusu madde, ısı nedeniyle hem elektriksel iletim hem de yalıtım özelliklerine sahip olabilen nadir bir toprak elementi olan neodimyum nikel oksittir (NdNiO3). Bu madde de manyetik özelliklere sahiptir, ancak kutupları sabit değildir; daha ziyade rastgele bitişik kümelere benzer. Farklı boyut ve şekillerdeki bu kümelerin her birinin kendi manyetik kutupları vardır. Araştırmacılar, bu malzemenin manyetik yapısında fraktal bir düzen olduğunu fark ettiler. Bahsedilen kümelerin dağılımı, birkaç büyük kümenin ve daha küçük kümelerin oluşturduğu kümelere benzemektedir. Araştırmacılar bu dağılımın bazılarına yakından baktıklarında, kümelerde benzer kümeler buldular.

Kısacası, aynı dağılımın boyutuna ve ölçeğine bakılmaksızın tüm madde seviyelerinde tekrarlandığı ortaya çıktı. Bu, doğada fraktal olarak kabul edilen yapılarla aynı tanıma sahiptir. MIT fiziği profesörü Riccardo Comin, “İlk başta yapıyı analiz etmek zordu, ancak dağılım istatistiklerine baktığımızda, fraktal davranış gösterdiğini fark ettik” diyor. şans eseri çıktı. ” Bilim adamları farklı uygulamalar için NdNiO3 üzerinde çalışıyorlar. Özellikle nöromorfik cihazlarda (biyolojik nöronları taklit eden yapay sistemler) yapı taşları olarak kullanılması muhtemeldir. Bir nöronun aldığı elektriksel stimülasyona bağlı olarak, aktif veya pasif olabilir ve NdNiO3 hem iletken hem de yalıtkan olabilir. Comin, bu maddenin nano ölçekli manyetik ve elektronik yapısını anlayarak, benzer amaçlar için başka malzemeleri incelemek veya hatta üretmek mümkün olduğunu düşünmektedir.

Deniz feneri taktiği

Araştırmacıların birincil amacı, maddede fraktal bir yapı bulmak değil, sıcaklığın manyetik kümelerde yarattığı değişiklikleri gözlemlemekti.

“Bu madde her sıcaklıkta manyetik özelliklere sahip değil,” diyor Comin: “Kümeler soğutulduğunda manyetik hale geliyorlar. Bu durumda nasıl davrandıklarını takip etmek istedik ”dedi. Bu amaçla, ekip nano ölçekte maddenin manyetik kümelerini incelemek için farklı bir yöntem geliştirmek zorunda kaldı; çünkü kümelerin boyutu birkaç atom ile on binlerce atom arasında değişiyordu. X-ışını ışınları genellikle bir maddenin manyetik özelliklerini incelerken kullanılır. Düşük enerjili X-ışınları (yumuşak X-ışınları) madde içindeki manyetik yapının anlaşılmasını sağlar. Comin ve diğ. Bu çalışmayı yaparken Brookhaven Ulusal Laboratuarı’nda bulunan parçacık hızlandırıcısını kullandı. Dev bir halka şeklindeki bu cihaz milyarlarca elektronun askıya alınmasına hizmet eder. Cihaz tarafından üretilen yumuşak X-ışınları, malzemelerin özelliklerini en ince ayrıntısına kadar öğrenmeye yardımcı olur. “Yine de, bu röntgenler nano ölçek değil” diyor Comin. “Bu yüzden ışınları daha küçük hale getirebilecek özel bir çözüme ihtiyaç vardı. Bu şekilde manyetik kümelerin sırasını nokta nokta belirleyebiliriz. “Bu amaçla araştırmacılar, X-ışınlarını konsantre edebilecek yeni bir lens geliştirdiler. Bu yöntem yüzyıllardır deniz fenerinde kullanılan bir tasarıma dayanmaktadır: Fresnel lensler.

Fresnel lensi tek bir kavisli camdan değil, kavisli camı göstermek için sıralanmış birçok cam parçası. Deniz fenerinde kullanılan Fresnel lenslerin çapı birkaç metreye ulaşabilir. Bunlar, güçlü bir lambadan yayılan ışığı yoğunlaştırarak, gemileri yönlendiren tek ve güçlü bir ışığa dönüştürür. Comin ve ekibi, benzer şekilde daha küçük ama çok daha küçük (150 mikron genişliğinde) bir lens üreterek 70 nanometreye kadar birkaç yüz mikron çapındaki yumuşak röntgeni konsantre edebildi.

Comin, yüzyıllardır bilinen çok farklı bir alanda 10 bin kat azaltarak optik bir özellik kullanılmasının son derece ilginç olduğunu belirtiyor.

Geliştirdikleri bu özel X-ışını lensini kullanarak, araştırmacılar cihazdaki ışınları Brookhaven’daki ince bir NdNiO3 yaprağına yönlendirdiler ve farklı sıcaklıklarda üzerlerindeki manyetik kümelerin yapısını haritalamayı başardılar. Bu şekilde, malzemenin belirli bir sıcaklığa düştüğünde manyetik hale geldiğini veya manyetik özelliklere sahip olduğunu doğruladılar. Bu kritik sıcaklık seviyesinin üzerinde olduğunda, kümeler kaybolur ve manyetik özellikler kaybolur.

Malzemenin hafızası

Bir başka ilginç bulgu; bu malzemeler kritik sıcaklıklara geri getirildiklerinde, bu kümeler eski yerlerinde yeniden ortaya çıkmaktadır.

Bu sistemde bir bellek olduğu anlaşılıyor, ”diyor Comin:“ Maddenin manyetik özelliklerin bulunduğu yeri vardır. Bu şaşırtıcı bir bulgu oldu. Yepyeni küme oluşumları bekliyorduk, ama aynı paternin tamamen kaybolduktan sonra bile aynı yerde yeniden ortaya çıktığını gözlemledik. ”

Araştırmacılar, maddenin manyetik kümelerini haritalandırıp her kümeyi ölçtükten sonra, belirli bir alandaki kümelerin sayısını kaydetmek ve boyutlarını anlamak istediler. Ortaya çıkan dağılım, boyutuna bakılmaksızın aynı şekilde tekrarlanan bir yapıdır: “Farklı ölçeklerde inanılmaz derecede zengin dokular gözlemledik. En çarpıcı şey, bu manyetik tekrarların fraktal olmasıydı ”.

Comin, maddenin manyetik özelliklerinin bir nano ölçekte nasıl düzenlendiğini anlamak ve özellikle yapay nöronlar ve daha güvenilir veri depolama cihazları geliştirmek açısından bir belleğe sahip olduğunu ortaya koymak gerektiğini hatırlatır. . Malzemenin bir hafızası varsa, dış etkenlere karşı dirençli ve ısıya maruz kalsa bile bilgilerin yok olmadığı bir sistem oluşturmak mümkündür ”. Comin ve Jiarui Li liderliğindeki çalışmaları ve sonuçları 15 Ekim’de Nature Communications’da yayınlandı.