Un fractal es cualquier patrón geométrico que se repite una y otra vez, en diferentes tamaños y escalas, dentro del mismo objeto. Esta "auto-semejanza" se puede ver en toda la naturaleza, por ejemplo en el borde de un copo de nieve, una red fluvial, las venas que se parten en un helecho, y el crujir de las horquillas del relámpago.

Ahora, los físicos del MIT y otros lugares han descubierto por primera vez patrones fractales en un material cuántico, un material que exhibe un extraño comportamiento electrónico o magnético. como resultado de la cuántica, efectos a escala atómica.

El material en cuestión es óxido de níquel y neodimio, o NdNiO ₃ , un niquelato de tierras raras que puede actuar, paradójicamente, como conductor eléctrico y aislante, dependiendo de su temperatura. El material también es magnético, aunque la orientación de su magnetismo no es uniforme en todo el material, sino que se asemeja a un mosaico de "dominios". Cada dominio representa una región del material con una orientación magnética particular, y los dominios pueden variar en tamaño y forma en todo el material.

En su estudio, los investigadores identificaron un patrón de tipo fractal dentro de la textura de los dominios magnéticos del material. Descubrieron que la distribución de los tamaños de los dominios se asemeja a una pendiente descendente, reflejando un mayor número de pequeños dominios y un menor número de grandes dominios. Si los investigadores se acercaron a cualquier parte de la distribución total, digamos, una porción de dominios de tamaño mediano:observaron el mismo patrón de pendiente descendente, con un mayor número de dominios más pequeños en comparación con los más grandes.

Como resulta, esta misma distribución aparece repetidamente en todo el material, no importa el rango de tamaño, o escala en la que se observa, una cualidad que el equipo reconoció como de naturaleza fractal.

"El patrón de dominio era difícil de descifrar al principio, pero después de analizar las estadísticas de distribución de dominios, nos dimos cuenta de que tenía un comportamiento fractal, "dice Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT. "Fue completamente inesperado, fue una casualidad".

Los científicos están explorando el óxido de níquel y neodimio para diversas aplicaciones, incluso como un posible bloque de construcción de dispositivos neuromórficos, sistemas artificiales que imitan a las neuronas biológicas. Así como una neurona puede estar tanto activa como inactiva, dependiendo de la tensión que reciba, NdNiO3 puede ser un conductor o un aislante. Comin dice que la comprensión de las texturas electrónicas y magnéticas a nanoescala del material es esencial para comprender y diseñar otros materiales para alcances similares.

Comin y sus colegas, incluido el autor principal y estudiante graduado del MIT, Jiarui Li, han publicado sus resultados hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Faros reenfocado

Comin y Li no tenían la intención de encontrar fractales en un material cuántico. En lugar de, el equipo estaba estudiando el efecto de la temperatura en los dominios magnéticos del material.

"El material no es magnético a todas las temperaturas, ", Dice Comin." Queríamos ver cómo estos dominios emergen y crecen una vez que se alcanza la fase magnética al enfriar el material ".

Para hacer eso, el equipo tuvo que idear una forma de medir los dominios magnéticos del material a nanoescala, dado que algunos dominios pueden ser tan pequeños como varios átomos de ancho, mientras que otros abarcan decenas de miles de átomos de ancho.

Los investigadores a menudo usan rayos X para probar las propiedades magnéticas de un material. Aquí, rayos X de baja energía, conocido como rayos X suaves, se utilizaron para detectar el orden magnético del material y su configuración. Comin y sus colegas realizaron estos estudios utilizando el National Synchrotron Light Source II en el Brookhaven National Laboratory, donde un masivo, El acelerador de partículas en forma de anillo lanza miles de millones de electrones. Los brillantes haces de rayos X suaves producidos por esta máquina son una herramienta para la caracterización más avanzada de materiales.

"Pero aún, este haz de rayos X no es nanoscópico, "Comin dice." Así que adoptamos una solución especial que permite reducir este rayo a una huella muy pequeña, para que podamos mapear, punto por punto, la disposición de los dominios magnéticos en este material ".

En el final, los investigadores desarrollaron una nueva lente de enfoque de rayos X basada en un diseño que se ha utilizado en los faros durante siglos. Su nueva sonda de rayos X se basa en la lente de Fresnel, un tipo de lente compuesta, que no se hace de una sola, losa de vidrio curvada, pero de muchos pedazos de vidrio, dispuesta para actuar como una lente curva. En los faros una lente de Fresnel puede abarcar varios metros de ancho, y se utiliza para enfocar la luz difusa producida por una lámpara brillante en un haz direccional que guía a los barcos en el mar. El equipo de Comin fabricó una lente similar, aunque mucho más pequeño, del orden de unas 150 micras de ancho, para enfocar un haz de rayos X suave de varios cientos de micrones de diámetro, hasta unos 70 nanómetros de ancho.

"La belleza de esto es, utilizamos conceptos de óptica geométrica que se conocen desde hace siglos, y se han aplicado en faros, y solo los estamos reduciendo en un factor de 10, 000 más o menos, "Dice Comin.

Texturas fractales

Usando su lente especial de enfoque de rayos X, los investigadores, en la fuente de luz de sincrotrón de Brookhaven, enfocó los haces de rayos X suaves entrantes sobre una fina película de óxido de neodimio y níquel. Luego escanearon el mucho más pequeño, haz nanoscópico de rayos X a través de la muestra para mapear el tamaño, forma, y orientación de dominios magnéticos, punto por punto. Mapearon la muestra a diferentes temperaturas, confirmando que el material se volvió magnético, o dominios magnéticos formados, por debajo de una cierta temperatura crítica. Por encima de esta temperatura, los dominios desaparecieron, y el orden magnético se borró efectivamente.

Curiosamente, el grupo descubrió que si enfriaban la muestra por debajo de la temperatura crítica, los dominios magnéticos reaparecieron casi en el mismo lugar que antes.

"Resulta que el sistema tiene memoria, "Dice Comin." El material conserva una memoria de dónde estarían los bits magnéticos. Esto también fue muy inesperado. Pensamos que veríamos una distribución de dominio completamente nueva, pero observamos el mismo patrón resurgiendo, incluso después de aparentemente borrar estos bits magnéticos por completo ".

Después de mapear los dominios magnéticos del material, y midiendo el tamaño de cada dominio, los investigadores contaron el número de dominios de un tamaño dado, y trazó su número en función del tamaño. La distribución resultante se asemejaba a una pendiente descendente, un patrón que encontraron, una y otra vez, sin importar en qué rango de tamaño de dominio se enfocaran.

"Hemos observado texturas de riqueza única que abarcan múltiples escalas espaciales, "Li dice." Lo más sorprendente es que hemos descubierto que estos patrones magnéticos tienen una naturaleza fractal ".

Comin dice que comprender cómo se organizan los dominios magnéticos de un material a nanoescala, y sabiendo que exhiben memoria, es útil, por ejemplo en el diseño de neuronas artificiales, y resiliente, dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos.

"Similar a los discos magnéticos en los discos duros giratorios, uno puede imaginar almacenar bits de información en estos dominios magnéticos, "Comin dice." Si el material tiene una especie de memoria, podría tener un sistema que sea robusto contra perturbaciones externas, así que incluso si se somete al calor, la información no se pierde ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.