Фрактал — это любой геометрический паттерн, который встречается снова и снова в разных размерах и масштабах внутри одного и того же объекта. Это «самоподобие» можно увидеть по всей природе, например, в снежинках, в речной сети, в кораллах, морских звездах и т.д.
Теперь физики в Массачусетском технологическом институте впервые обнаружили фрактальные структуры в квантовом материале — материале, который демонстрирует странное электронное или магнитное поведение в результате квантовых эффектов атомного масштаба.
Рассматриваемый материал представляет собой оксид неодима-никеля или NdNiO3, редкоземельный никелат, который, как ни парадоксально, может действовать как электрический проводник и изолятор, в зависимости от его температуры. Материал также оказывается магнитным, хотя ориентация его магнетизма не однородна по всему материалу, а скорее напоминает лоскутное одеяло из «доменов». Каждый домен представляет область материала с определенной магнитной ориентацией, и домены могут различаться по размеру и форме по всему материалу.
В своем исследовании ученые обнаружили фрактальную структуру в рисунке магнитных доменов материала. Они заметили, что распределение размеров доменов напоминает нисходящий уклон, отражая большее количество маленьких доменов и меньшее количество больших. Если исследователи увеличивали какую-либо часть общего распределения, скажем, среза доменов среднего размера, они наблюдали одинаковую наклонную схему с большим количеством меньших и больших доменов.
Как выяснилось, это же распределение неоднократно встречается по всему материалу, независимо от диапазона размеров или масштаба, в котором оно наблюдается — качество, которое команда физиков признала фрактальным по своей природе.
«Паттерн предметной области поначалу было трудно расшифровать, но после анализа статистики распределения доменов мы поняли, что он имеет фрактальное поведение», — говорит Риккардо Комин, доцент физики MIT. «Это было совершенно неожиданно — это была случайность».
Ученые исследуют оксид неодима-никеля для различных применений, в том числе в качестве возможного строительного блока для нейроморфных устройств — искусственных систем, которые имитируют биологические нейроны.
Так же, как нейрон может быть как активным, так и неактивным, в зависимости от напряжения, которое он получает, NdNiO3 может быть или проводником или изолятором. Риккардо Комин говорит, что понимание наноразмерных магнитных и электронных текстур материала необходимо для понимания и разработки других материалов для подобных областей применения.
Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.
Источник: