MODELLI FRATTALI NEI MATERIALI QUANTICI
Immagine di: Arkadiusz Jadczyk
Confermato per la Prima Volta un Modello Frattale in un Materiale Quantico!
La parola frattale è diventata sempre più popolare, sebbene il concetto sia iniziato poco più di due secoli fa nel 17 ° secolo con il prominente e prolifico matematico e filosofo Gottfried Wilhelm Leibniz.
Si ritiene che Leibniz abbia affrontato per la prima volta la nozione di auto-somiglianza ricorsiva, e fu solo nel 1960 che il concetto fu formalmente stabilizzato sia teoricamente che praticamente, attraverso lo sviluppo matematico e le visualizzazioni computerizzate di Benoit Mandelbrot, che si stabilì il nome “frattale”.
I frattali sono definiti principalmente da tre caratteristiche:
Auto-somiglianza: Identiche o molto simili forme su tutte le scale di dimensione.
Iterazione: una relazione ricorsiva limitata solo dalla capacità di calcolo del computer. Con prestazioni sufficientemente elevate, le iterazioni potrebbero essere infinite. Ciò consente forme molto dettagliate su ogni scala, modificate rispetto alla prima iterazione, manifestando comunque la forma originale ad alcuni livelli di iterazione. Per questo motivo, i frattali possono avere proprietà emergenti, che fanno di loro uno strumento adatto per sistemi complessi.
Dimensione frattale, o dimensioni frazionarie: descrive la nozione contro-intuitiva che una lunghezza misurata cambia con la lunghezza dello strumento di misura utilizzato; Quantifica il modo in cui il numero di righelli di misurazione in scala siano necessari per misurare, ad esempio una linea costiera, tale numero varia in base alla scala di grandezza propria dei righelli utilizzati.
“La dimensione frattale di una curva può essere spiegata intuitivamente pensando a una linea frattale come ad un oggetto troppo dettagliato per essere monodimensionale, ma troppo semplice per essere bidimensionale”. David Harte ( Multifractals. Chapman & Hall. pp. 3–4. ISBN 978-1-58488-154-4.)
Sebbene i frattali siano oggi comunemente utilizzati per descrivere oggetti macroscopici quali i rami di un albero, i broccoli, i vasi sanguigni e molti altri, per la prima volta i fisici del MIT hanno scoperto modelli frattali in un materiale quantico. Il materiale è ossido di nichel neodimio o NdNiO3, un nichelato di terre rare che conduce elettricità o funge da isolante, a seconda della sua temperatura. Presenta inoltre un magnetismo disomogeneo: domini o regioni con un orientamento magnetico specifico che variano in dimensioni e forma in tutto il materiale. Il materiale esibisce questo peculiare comportamento elettronico e magnetico come risultato di effetti quantistici su scala atomica e per questo motivo è chiamato materiale quantico.
I ricercatori hanno dovuto progettare una lente di focalizzazione a raggi X molto speciale per mappare le dimensioni, la forma e l’orientamento dei domini magnetici, punto per punto a diverse temperature, confermando che il materiale formava domini magnetici al di sotto di una certa temperatura critica. Al di sopra di questa temperatura, i domini sono scomparsi cancellando l’ordine magnetico. Tuttavia, raffreddando il campione al di sotto della temperatura critica, i domini magnetici sono riapparsi all’incirca nella stessa posizione di prima! Ciò significa che il sistema ha memoria, il che è stato molto inaspettato. Si potrebbe avere un sistema robusto nei confronti delle perturbazioni esterne, anche se sottoposto a calore, in modo tale che le informazioni non vadano perse.
In secondo luogo, dopo aver mappato i domini magnetici del materiale e aver misurato la dimensione di ciascun dominio, i ricercatori hanno contato il numero di domini di una determinata dimensione e hanno tracciato il loro numero in funzione della dimensione. La distribuzione risultante ha mostrato lo stesso modello ripetutamente, indipendentemente dalla scala di grandezza del dominio su cui si sono concentrati. Hanno scoperto che questi schemi magnetici hanno una natura frattale!
“E ‘stato completamente inaspettato – è stato serendipity.”
Riccardo Comin, Assistant Professor of Physics presso il MIT.
Poiché il materiale funge da isolante o conduttore a seconda della temperatura, gli scienziati stanno esplorando l’ossido di neodimio e nichel per dispositivi neuromorfi, dispositivi che imitano i neuroni biologici. Qui, la temperatura giocherebbe il ruolo della tensione elettrica nel sistema biologico, che è attivo o inattivo a seconda del valore di tensione elettrica che riceve. Un’altra potenziale applicazione è costituita dalla realizzazione di dispositivi magnetici di archiviazione dati resilienti.
I risultati sono stati pubblicati di recente sulla rivista Nature Communications. (https://www.nature.com/articles/s41467-019-12502-0, https://www.nature.com/articles/s41467-019-12502-0.pdf)
Articolo del dott. Inés Urdaneta, scienziato ricercatore della Resonance Science Foundation
Fonte: www.resonancescience.org