Scoperti modelli frattali in un materiale quantico

Una scoperta che avrà importanti ricadute sui sistemi di archiviazione dei dati.

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Dai fiocchi di neve alla linea frastagliata di un fulmine, non è difficile trovare esempi di frattali nel mondo naturale. Quindi potrebbe sorprendere il fatto che, fino ad ora, siano rimasti alcuni posti in cui questi schemi geometrici ripetuti all’infinito non sono mai stati visti.

I fisici del MIT hanno ora fornito il primo esempio noto di una disposizione frattale in un materiale quantico.

I modelli sono stati visti in una distribuzione inaspettata di unità magnetiche chiamate “domini“, che si sviluppano in un composto chiamato ossido di nichel al neodimio, un metallo di terre rare con proprietà straordinarie.

Una migliore comprensione di questi domini e dei loro schemi potrebbe potenzialmente portare a nuovi modi di archiviare e proteggere le informazioni digitali.

GettyImages 465641889Schemi frattali presenti in natura nel broccolo Romanesco ( Brassica oleracea ). (Photopips / iStock)



L’ossido di neodimio e nichel, o NdNiO3, è roba strana.

Se gli dai corrente si comporta abbastanza normalmente. Rilascialo nell’azoto liquido in modo che cada al di sotto di una temperatura critica di circa meno 123 gradi Celsius diventa improvvisamente un isolante.

Questa non è l’unica cosa che cambia. Come spiega il fisico Riccardo Comin , “Il materiale non è magnetico a tutte le temperature“.

Certo, anche un comune pezzo di ferro magnetizzato perderà il suo talento nel puntare a nord se lo scaldi abbastanza, quindi non è poi così strano. Ma l’ossido di neodimio e nichel non gioca secondo le solite regole, quindi il modo preciso in cui i suoi elettroni cadono nelle disposizioni magnetiche è stato a lungo un mistero.

Quello che sappiamo è come la maggior parte dei materiali ferromagnetici, gli atomi nell’ossido di nichel al neodimio si uniscono in piccoli gruppi di particelle orientate magneticamente chiamate domini.

I domini sono disponibili in una varietà di dimensioni e disposizioni, a seconda delle interazioni quantistiche tra gli elettroni e i loro atomi in determinate condizioni. La grande domanda era come emergono nell’ossido di nichel al neodimio, data la sua natura di conduttore che diventa un isolante.

Volevamo vedere come si espandono e crescono questi domini una volta raggiunta la fase magnetica dopo aver raffreddato il materiale“, afferma Comin.

In passato i ricercatori hanno esaminato il materiale ai raggi X per studiare le sue strane proprietà elettromagnetiche e nella speranza di scoprire i suoi segreti elettrici.

Queste analisi, però, hanno mostrato come si distribuiscono a temperature diverse gli elettroni di questo materiale, ma per mappare la dimensione e la distribuzione dei suoi domini in tali condizioni è stato necessario un approccio più mirato.

Quindi abbiamo adottato una soluzione speciale che consente di mappare, punto per punto, la disposizione dei domini magnetici in questo materiale“, afferma Comin.

Quella soluzione speciale era tanto antica quanto nuova: in pratica i ricercatori hanno utilizzato la stessa tecnologia che si usava nei fari vecchio stile per incanalare la luce in un fascio ristretto.

Le lenti di Fresnel sono strati sovrapposte con un materiale trasparente con creste capaci di reindirizzare le radiazioni elettromagnetiche. Le lenti nei fari, però, possono essere larghe metri, quelle che Comin e il suo team hanno sviluppato erano larghe solo 150 micron.

Il risultato finale è stato un fascio di raggi X abbastanza piccolo da rilevare la piccola scala dei domini magnetici attraverso un sottile film di ossido di nichel al neodimio cresciuto in laboratorio.

La maggior parte di quei domini erano minuscoli. Sparsi tra loro ce n’erano alcuni più grandi. Ma una volta che è stata tracciata una mappa, la distribuzione dei domini più grandi tra un mare di domini minuscoli sembrava stranamente simile, indipendentemente dalla scala in uso.

All’inizio è stato difficile decifrare il modello di dominio, ma dopo aver analizzato le statistiche sulla distribuzione del dominio, ci siamo resi conto che aveva un comportamento frattale“, spiega Comin.

È stato del tutto inaspettato“.

I materiali che possono agire sia come conduttore che come isolante svolgono già un ruolo importante nel mondo dell’elettronica. I transistor si basano proprio su questo principio.

Ma l’ossido di neodimio e nichel ha un altro asso nella manica. Lo stesso schema frattale dei domini riappare quando la temperatura scende di nuovo, quasi come se avesse un qualche tipo di memoria su dove ridisegnare i suoi confini.

Simile ai dischi magnetici nei dischi rigidi che ruotano, si può immaginare di memorizzare bit di informazioni in questi domini magnetici“, conclude Comin.

Dai dispositivi di archiviazione di memoria resilienti fino ai neuroni artificiali, l’ossido di nichel al neodimio farà sicuramente parte del quadro generale dell’elettronica futura

Questa ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

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