Padrões fractais podem ser encontrados em todos os lugares, desde flocos de neve a raios até as bordas irregulares das costas. Bonitos de se ver, sua natureza repetitiva também pode inspirar percepções matemáticas sobre o caos da paisagem física.
Um novo exemplo dessas esquisitices matemáticas foi descoberto em um tipo de substância magnética conhecida como gelo de spin, e pode nos ajudar a entender melhor como um comportamento peculiar chamado monopolo magnético emerge de sua estrutura instável.
Spin ices são cristais magnéticos que obedecem a regras estruturais semelhantes aos gelos de água, com interações únicas governadas pelos spins de seus elétrons, em vez do empurrão e puxão de cargas. Como resultado dessa atividade, eles não têm nenhum estado único de baixa energia de atividade mínima. Em vez disso, eles quase zumbem com ruído, mesmo em temperaturas incrivelmente baixas.
Um fenômeno estranho emerge desse zumbido quântico – características que agem como ímãs com apenas um polo. Embora não sejam exatamente as partículas monopolo magnéticas hipotéticas que alguns físicos acham que possam existir na natureza, elas se comportam de maneira semelhante o suficiente para valer a pena estudá-las.
Assim, uma equipe internacional de pesquisadores recentemente voltou sua atenção para um spin ice chamado disprósio titanato. Quando pequenas quantidades de calor são aplicadas ao material, suas regras magnéticas típicas se quebram e os monopolos aparecem, com os polos norte e sul se separando e agindo de forma independente.
Vários anos atrás, uma equipe de pesquisadores identificou a assinatura da atividade monopolo magnética no zumbido quântico de um gelo giratório de titanato de disprósio, mas os resultados deixaram algumas questões sobre a natureza exata desses movimentos monopolo.
Neste estudo de acompanhamento, os físicos perceberam que os monopolos não estavam se movendo com total liberdade em três dimensões. Em vez disso, eles foram restritos a um plano de dimensão 2,53 dentro de uma rede fixa.
Os cientistas criaram modelos complexos em escala atômica para mostrar que o movimento monopolo estava restrito a um padrão fractal que estava sendo apagado e reescrito dependendo das condições e movimentos anteriores.
“Quando inserimos isso em nossos modelos, os fractais surgiram imediatamente”, diz o físico Jonathan Hallén, da Universidade de Cambridge.
“As configurações dos spins estavam criando uma rede na qual os monopolos tinham que se mover. A rede estava se ramificando como um fractal com exatamente a dimensão certa.”
Esse comportamento dinâmico explica por que os experimentos convencionais haviam perdido os fractais anteriormente. Foi o ruído criado em torno dos monopolos que acabou revelando o que eles realmente estavam fazendo e o padrão fractal que estavam seguindo.
“Sabíamos que havia algo realmente estranho acontecendo”, diz o físico Claudio Castelnovo, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. “Os resultados de 30 anos de experimentos não bateram.”
“Depois de várias tentativas fracassadas de explicar os resultados do ruído, finalmente tivemos um momento eureca, percebendo que os monopolos devem estar vivendo em um mundo fractal e não se movendo livremente em três dimensões, como sempre se supôs”.
Esses tipos de descobertas podem levar a mudanças radicais nas possibilidades da ciência e como materiais como spin ices podem ser usados: talvez na spintrônica, um campo de estudo emergente que poderia oferecer uma atualização de última geração na eletrônica que usamos hoje.
“Além de explicar vários resultados experimentais intrigantes que nos desafiam há muito tempo, a descoberta de um mecanismo para o surgimento de um novo tipo de fractal levou a uma rota totalmente inesperada para o movimento não convencional ocorrer em três dimensões”, diz físico teórico Roderich Moessner do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos na Alemanha.
Publicado em 24/12/2022 22h44
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