Por primera vez científicos descubren patrones fractales en un material cuántico

Desde pequeños copos de nieve hasta en un rayo, no es difícil encontrar ejemplos de fractales en el mundo natural. Por lo tanto, puede sorprender que, hasta ahora, hayan quedado algunos lugares en los que estos patrones geométricos que se repiten sin cesar nunca se han visto.

Los físicos del MIT ahora han proporcionado el primer ejemplo conocido de una disposición fractal en un material cuántico.

Los patrones se vieron en una distribución inesperada de unidades magnéticas llamadas «dominios», que se desarrollan en un compuesto llamado óxido de níquel y neodimio, un metal de tierras raras con propiedades extraordinarias.

Obtener una mejor comprensión de estos dominios y sus patrones podría conducir a nuevas formas de almacenar y proteger la información digital.

Y eso es bastante bueno, porque el óxido de neodimio y níquel, o NdNiO3, es algo extraño .

Saque una pieza de su bolsillo y sacúdala con una corriente, y se llevará a cabo con bastante facilidad. Colóquelo en nitrógeno líquido para que caiga por debajo de una temperatura crítica de alrededor de menos 123 grados Celsius (menos 189 Fahrenheit), y se convertirá en un aislante.

Eso no es lo único que cambia. Como explica el físico Riccardo Comin.

«El material no es magnético a todas las temperaturas».

Claro, incluso una pieza común de hierro magnetizado perderá su talento para apuntar hacia el norte si la calienta lo suficiente, por lo que esto no es tan extraño. Pero el óxido de neodimio y níquel no cumple las reglas habituales, por lo que la forma precisa en que sus electrones caen en arreglos magnéticos ha sido un misterio.

Lo que sí sabemos es que, como la mayoría de los materiales ferromagnéticos, los átomos en el óxido de neodimio y níquel se unen como pequeños grupos de partículas magnéticamente orientadas llamadas dominios.

Crédito: dawnydawny / Pixabay

Los dominios vienen en una variedad de tamaños y arreglos, dependiendo de las interacciones cuánticas entre los electrones y sus átomos bajo ciertas condiciones. Pero cómo surgieron en el óxido de neodimio y níquel, dada su naturaleza como conductor de luz y como aislante, fue la gran pregunta.

Comin dijo:

«Queríamos ver cómo estos dominios aparecen y crecen una vez que se alcanza la fase magnética al enfriar el material».

En el pasado, los investigadores dispersaron rayos X a través del material para estudiar sus extrañas propiedades electromagnéticas de flip-flop con la esperanza de descubrir sus secretos eléctricos.

Si bien esto mostró cómo el material distribuye sus electrones a diferentes temperaturas, el mapeo del tamaño y la distribución de sus dominios en tales condiciones requirió un enfoque más centrado.

Comin dijo:

«Así que adoptamos una solución especial que permite reducir este haz a una huella muy pequeña, para poder mapear, punto por punto, la disposición de los dominios magnéticos en este material».

Esa solución especial era tan antigua como novedosa: utilizaron la misma tecnología que muchos faros anticuados emplean para canalizar la luz hacia un haz estrecho.

Los patrones repetitivos en un copo de nieve son un ejemplo clásico de hermosos fractales geométricos. Ahora los científicos del MIT han descubierto patrones fractales en las configuraciones magnéticas de un material cuántico por primera vez. Crédito: Chelsea Turner, MIT

Las lentes Fresnel son capas apiladas de un material transparente con crestas que redirigen la radiación electromagnética. Si bien las lentes en los faros pueden tener metros de diámetro, las que Comin y su equipo desarrollaron tenían solo 150 micras de ancho.

El resultado final fue un haz de rayos X lo suficientemente pequeño como para detectar la escala fina de dominios magnéticos a través de una película delgada de óxido de níquel y neodimio cultivado en laboratorio.

La mayoría de esos dominios eran pequeños. Esparcidos entre ellos había algunos más grandes. Pero una vez que se agruparon los números y se dibujó un mapa, la distribución de dominios más grandes entre un mar de pequeños se veía inquietantemente similar, sin importar la escala que estuviera utilizando.

Comin dijo:

«El patrón de dominio fue difícil de descifrar al principio, pero después de analizar las estadísticas de distribución de dominio, nos dimos cuenta de que tenía un comportamiento fractal. Fue completamente inesperado, fue una casualidad».

Los materiales que pueden actuar como conductores y aislantes ya juegan un papel importante en el mundo de la electrónica. Los transistores se basan en este mismo principio.

Pero el óxido de neodimio y níquel tiene otro truco bajo la manga. El mismo patrón fractal de dominios vuelve a aparecer cuando la temperatura vuelve a bajar, casi como si tuviera algún tipo de memoria sobre dónde volver a dibujar sus bordes.

Comin dijo:

«Al igual que los discos magnéticos en discos duros giratorios, uno puede imaginar almacenar bits de información en estos dominios magnéticos».

Desde dispositivos de almacenamiento de memoria resistentes hasta neuronas artificiales, el óxido de neodimio y níquel seguramente será parte del panorama general de la electrónica futura.

Esta investigación fue publicada en Nature Communications.

Fuente: Science Alert / MIT News