Физики обнаружили фракталы в квантовом материале

В квантовом материале впервые обнаружили фрактальный магнитный порядок.

Иллюстрация Chelsea Turner, MIT.

Процесс построения кривой Коха.

Иллюстрация Wikimedia Commons.

Каждая часть фрактала представляет собой миниатюрное подобие целого.

Фото Pixabay.

Изучая перспективный материал для создания искусственных нейронов, физики выяснили, что в нём возникает фрактальная структура. Учёные обнаружили также свойства, которые можно использовать для создания перспективных блоков памяти.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications группой во главе с Риккардо Комином (Riccardo Comin).

Оксид неодима-никеля (NdNiO3) относится к квантовым материалам, то есть имеет ярко выраженные свойства, которые можно объяснить только законами квантовой физики. Например, он является проводником или изолятором в зависимости от температуры. Это свойство можно использовать для создания аппаратных аналогов живых нейронов: нервная клетка тоже может передать импульс дальше или погасить его в зависимости от своего состояния.

Это вещество имеет также любопытные магнитные свойства. Когда температура опускается ниже критической отметки, в нём возникают антиферромагнитные домены. Последние представляют собой "блоки" вещества, в котором магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно друг другу. Домены в NdNiO3 могут быть очень разного размера, от нескольких атомов до десятков тысяч атомов.

Комин и коллеги стремились выяснить, как часто встречаются домены той или иной величины. Для этого они сконструировали линзу Френеля, фокусирующую низкоэнергетические рентгеновские лучи. Эта линза диаметром 150 микрометров состоит из множества небольших линз. Она фокусирует рентгеновский луч, уменьшая его диаметр с нескольких сотен микрометров до 70 нанометров. Оптика такого рода веками использовалась в маяках, чтобы собирать рассеянный свет фонаря в узкий яркий луч. Но там размер линзы Френеля может достигать нескольких метров.

"Вся прелесть в том, что мы используем концепции геометрической оптики, которые были известны на протяжении веков и применялись в маяках, мы просто уменьшаем всё в 10 тысяч раз", – говорит Комин.

Используя такой инструмент, команда картировала размер, форму и расположение доменов. Тут-то и выяснился любопытный факт.

На каком бы диапазоне размеров доменов ни сосредотачивались исследователи, зависимость количества доменов от их размера всегда оставалась одной и той же. Такое самоподобие на разных масштабах – ключевой признак объектов, известных математикам как фракталы.

"Мы наблюдали текстуры уникального богатства, охватывающие несколько пространственных масштабов, – рассказывает первый автор исследования Цзяжуй Ли (Jiarui Li) из Массачусетского технологического института. – Самое поразительное: мы обнаружили, что эти магнитные структуры имеют фрактальную природу".

Общепринятого определения понятия "фрактал" всё ещё нет, и разные исследователи используют этот термин в разных смыслах. Часто фракталами называются объекты, у которых часть представляет собой уменьшенную копию целого, её часть – ещё одну уменьшенную копию, и так без конца.

Например, разобьём отрезок на три равных сегмента. Средний сегмент сделаем стороной правильного треугольника. С каждым отрезком получившийся фигуры проделаем ту же процедуру, и так без конца. В результате получится фрактал, известный как кривая Коха. Каждый её участок содержит всю кривую в уменьшенном варианте.

Процесс построения кривой Коха.

Забавным примером фрактала является бесконечная фраза: "Есть две группы людей, из которых одна слыхом не слыхивала о фракталах, а вторая считает, что есть две группы людей, из которых одна слыхом не слыхивала о фракталах…"

Разумеется, точных фракталов с их бесконечным повторением в природе не существует, но есть их конечные подобия. На фрактал похожи ветви деревьев (каждая ветвь разделяется на новые ветви и походит на дерево в миниатюре), русла рек, кровеносные системы животных, береговые линии материков (внутри каждого изгиба прячется целый зоопарк более мелких изгибов) и так далее.

Однако впервые фрактальная структура была обнаружена в распределении магнитных доменов в материале.

Каждая часть фрактала представляет собой миниатюрное подобие целого.

Физики обнаружили ещё одну интересную особенность оксида неодима-никеля. Когда материал нагревался выше критической температуры, домены, естественно, исчезали. Исследователи ожидали, что после остывания возникнет совершенно новая картина доменов. Однако в реальности они восстанавливались на тех же самых местах.

Это означает, что материал обладает своего рода памятью, которую можно использовать для создания новых запоминающих устройств.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали об искусственных атомах для квантовых вычислений и о том, как учёным удалось соединить нейроны при помощи фотонного микрочипа.