Un frattale è un qualsiasi motivo geometrico che si ripete continuamente, a diverse dimensioni e scale, all'interno dello stesso oggetto. Questa "autosomiglianza" può essere vista in tutta la natura, per esempio nel bordo di un fiocco di neve, una rete fluviale, le vene che si spaccano in una felce, e le forche scoppiettanti dei fulmini.

Ora i fisici al MIT e altrove hanno scoperto per la prima volta modelli simili a frattali in un materiale quantistico, un materiale che mostra uno strano comportamento elettronico o magnetico, come risultato quantistico, effetti su scala atomica.

Il materiale in questione è ossido di nichel al neodimio, o NdNiO ₃ , una terra rara nichelata che può agire, paradossalmente, sia come conduttore elettrico che come isolante, a seconda della sua temperatura. Il materiale sembra anche essere magnetico, sebbene l'orientamento del suo magnetismo non sia uniforme in tutto il materiale, ma assomiglia piuttosto a un mosaico di "domini". Ogni dominio rappresenta una regione del materiale con un particolare orientamento magnetico, e i domini possono variare in dimensioni e forma in tutto il materiale.

Nel loro studio, i ricercatori hanno identificato uno schema simile a un frattale all'interno della trama dei domini magnetici del materiale. Hanno scoperto che la distribuzione delle dimensioni del dominio assomiglia a una pendenza verso il basso, che riflette un numero maggiore di domini piccoli e un numero inferiore di domini grandi. Se i ricercatori hanno ingrandito qualsiasi parte della distribuzione totale, diciamo, una fetta di domini di medie dimensioni:hanno osservato lo stesso modello inclinato verso il basso, con un numero maggiore di domini più piccoli rispetto a quelli più grandi.

Come risulta, questa stessa distribuzione appare ripetutamente in tutto il materiale, non importa la gamma di dimensioni, o scala in cui viene osservato, una qualità che il team ha riconosciuto come di natura frattale.

"All'inizio il modello di dominio era difficile da decifrare, ma dopo aver analizzato le statistiche di distribuzione del dominio, ci siamo resi conto che aveva un comportamento frattale, "dice Riccardo Comin, assistente professore di fisica al MIT. "È stato completamente inaspettato, è stata una serendipità".

Gli scienziati stanno esplorando l'ossido di nichel al neodimio per varie applicazioni, incluso come possibile elemento costitutivo per dispositivi neuromorfi, sistemi artificiali che imitano i neuroni biologici. Proprio come un neurone può essere sia attivo che inattivo, a seconda della tensione che riceve, NdNiO3 può essere un conduttore o un isolante. Comin afferma che la comprensione delle trame magnetiche ed elettroniche su scala nanometrica del materiale è essenziale per comprendere e progettare altri materiali per scopi simili.

Comin e i suoi colleghi, tra cui l'autore principale e studente laureato del MIT Jiarui Li, hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

fari, riorientato

Comin e Li non avevano intenzione di trovare frattali in un materiale quantistico. Anziché, il team stava studiando l'effetto della temperatura sui domini magnetici del materiale.

"Il materiale non è magnetico a tutte le temperature, "Comin dice. "Volevamo vedere come questi domini emergono e crescono una volta raggiunta la fase magnetica dopo il raffreddamento del materiale".

Fare quello, il team ha dovuto escogitare un modo per misurare i domini magnetici del materiale su scala nanometrica, poiché alcuni domini possono essere piccoli quanto diversi atomi di larghezza, mentre altri si estendono su decine di migliaia di atomi.

I ricercatori usano spesso i raggi X per sondare le proprietà magnetiche di un materiale. Qui, raggi X a bassa energia, noti come raggi X molli, sono stati utilizzati per rilevare l'ordine magnetico del materiale e la sua configurazione. Comin e colleghi hanno eseguito questi studi utilizzando la National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory, dove un enorme, L'acceleratore di particelle a forma di anello trasporta miliardi di elettroni. I fasci luminosi di raggi X molli prodotti da questa macchina sono uno strumento per la caratterizzazione più avanzata dei materiali.

"Ma ancora, questo raggio di raggi X non è nanoscopico, " Dice Comin. "Quindi abbiamo adottato una soluzione speciale che consente di ridurre questa trave a un ingombro molto ridotto, in modo da poter mappare, punto per punto, la disposizione dei domini magnetici in questo materiale."

Alla fine, i ricercatori hanno sviluppato una nuova lente per la messa a fuoco dei raggi X basata su un design che è stato utilizzato nei fari per secoli. La loro nuova sonda a raggi X si basa sulla lente di Fresnel, un tipo di lente composita, che non è fatto da un singolo, lastra di vetro curva, ma da tanti pezzi di vetro, predisposto per agire come una lente curva. Nei fari, una lente di Fresnel può estendersi per diversi metri di diametro, ed è usato per focalizzare la luce diffusa prodotta da una lampada brillante in un raggio direzionale che guida le navi in ​​mare. Il team di Comin ha fabbricato una lente simile, anche se molto più piccolo, dell'ordine di circa 150 micron di larghezza, mettere a fuoco un raggio di raggi X morbidi di diverse centinaia di micron di diametro, fino a circa 70 nanometri di larghezza.

"La bellezza di questo è, stiamo usando concetti dell'ottica geometrica che sono noti da secoli, e sono stati applicati nei fari, e li stiamo solo riducendo di un fattore 10, 000 o giù di lì, "Comin dice.

Texture frattali

Usando la loro speciale lente di messa a fuoco dei raggi X, i ricercatori, alla sorgente di luce di sincrotrone di Brookhaven, raggi X molli focalizzati in arrivo su una sottile pellicola di ossido di nichel al neodimio. Poi hanno scansionato il molto più piccolo, raggio nanoscopico di raggi X attraverso il campione per mappare le dimensioni, forma, e orientamento dei domini magnetici, punto per punto. Hanno mappato il campione a diverse temperature, confermando che il materiale è diventato magnetico, o domini magnetici formati, al di sotto di una certa temperatura critica. Al di sopra di questa temperatura, i domini sono scomparsi, e l'ordine magnetico è stato effettivamente cancellato.

interessante, il gruppo ha scoperto che se raffreddavano il campione al di sotto della temperatura critica, i domini magnetici sono riapparsi quasi nello stesso posto di prima.

"Quindi risulta che il sistema ha memoria, "Comin dice. "Il materiale conserva una memoria di dove sarebbero i bit magnetici. Anche questo è stato molto inaspettato. Pensavamo di vedere una distribuzione del dominio completamente nuova, ma abbiamo osservato lo stesso modello riemergere, anche dopo aver apparentemente cancellato del tutto questi bit magnetici."

Dopo aver mappato i domini magnetici del materiale, e misurare la dimensione di ogni dominio, i ricercatori hanno contato il numero di domini di una data dimensione, e tracciato il loro numero in funzione della dimensione. La distribuzione risultante assomigliava a una pendenza verso il basso, un modello che hanno trovato, ancora e ancora, indipendentemente dall'intervallo di dimensioni del dominio su cui si sono concentrati.

"Abbiamo osservato trame di ricchezza unica che abbracciano più scale spaziali, " Li dice. "Più sorprendentemente, abbiamo scoperto che questi modelli magnetici hanno una natura frattale."

Comin dice che capire come i domini magnetici di un materiale si organizzano su scala nanometrica, e sapendo che esibiscono memoria, è utile, per esempio nella progettazione di neuroni artificiali, e resistente, dispositivi magnetici per l'archiviazione dei dati.

"Simile ai dischi magnetici nei dischi rigidi rotanti, si può immaginare di immagazzinare bit di informazione in questi domini magnetici, " dice Comin. "Se il materiale ha una sorta di memoria, potresti avere un sistema robusto contro le perturbazioni esterne, quindi anche se sottoposto a calore, le informazioni non vanno perse."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.