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    在雪花的重复图案是美丽的,分形几何的一个典型的例子。现在MIT科学家发现在首次量子材料的磁结构的分形状图案。

    图片:切尔西车工,澳门太阳城最新网站

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科学家发现在量子材料的分形图案

在雪花的重复图案是美丽的,分形几何的一个典型的例子。现在MIT科学家发现在首次量子材料的磁结构的分形状图案。

在实验中使用的X射线聚焦透镜是基于灯塔几个世纪中使用的设计。


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分形是一次又一次地出现时,在不同的尺寸和尺度,相同的对象内的任何几何图案。这种“自相似性”可以看出整个自然界,例如在雪花的边缘,河流网络,在蕨分裂静脉和闪电噼里啪啦叉。

现在物理学家在澳门太阳城最新网站和其他地方有首次在量子材料发现分形状图案 - 存在奇怪电子或磁性特性的材料,作为量子,原子尺度效应的结果。

所讨论的材料是钕氧化镍,或ndnio3,稀土类镍,可以采取行动,矛盾的是,因为这两个电导体和绝缘体,这取决于其温度。该材料也恰好是磁性的,虽然它的磁性的取向是不整个材料均匀,而是类似的拼凑“结构域”。每个域代表材料的与特定磁取向的区域,并且结构域可以在变化的大小和形状在整个材料。

在他们的研究中,研究人员确定了材料的磁畴的纹理内的分形图案。他们发现,域尺寸的分布类似向下斜率,反映较高数目小域的和大结构域的一个较小的数字。如果研究人员放大了总经销的任何部分 - 说,中型结构域组成的切片 - 他们观察到的相同向下倾斜图案,具有较高数目的较小的相对较大的结构域。 

事实证明,这种相同的分布反复出现在各处其中它观察到的材料,事无大小范围或规模 - 质量,球队公认的性质分。

“域模式很艰难,破译,但分析域分布的统计后,我们意识到它有一个分的行为,说:”里卡多在澳门太阳城最新网站物理学的科曼,助理教授。 “这是完全出乎意料 - 这是机缘巧合。”

科学家们正在为各种应用探索钕氧化镍,包括作为可能的构建块神经形态设备 - 模仿生物神经元人工系统。只是作为一个神经元既可以是活动和不活动,这取决于它接收,ndnio电压3 可以是导体或绝缘体。科曼说,该材料的磁性纳米级和电子纹理的理解是必不可少的理解和工程师类似范围的其他材料。

科曼和他的同事们,包括主要作者,澳门太阳城最新网站研究生李嘉瑞,今天发表了他们的成果在期刊 自然通讯.

灯塔,重新聚焦

科曼和李也没打算找一个量子材料分形。相反,团队研究了温度对材料的磁畴的影响。

“材料是没有磁性,在所有的温度,”科曼说。 “我们希望看到这些领域如何弹出并成长在一次冷却材料达到磁性相。”

要做到这一点,球队不得不想出一个办法,在纳米尺度测量材料的磁畴,因为有些领域可以为几个原子宽的小,而其他跨跨越原子数以万计。 

研究人员通常使用的X射线探测的材料的磁特性。这里,低能量的X射线,被称为软X射线,使用以感测材料的磁顺序和它的配置。坠落和同事使用国家同步光源II在Brookhaven国家实验室,在那里一个巨大的,环状的粒子加速器吊索电子围绕由数十亿进行这些研究。由该机器产生的软X射线的明亮的光束是对材料的最先进的特性的工具。

“但尽管如此,这个X射线束不是纳米级的,”科曼说。 “所以我们采取了允许向下挤压该光束非常小的体积,这样我们就可以映射一个特殊的解决方案,逐点,磁畴的这种材料的安排。”

最终,研究人员开发出了基于该公司在灯塔几个世纪以来一直使用的设计,新的X射线聚焦透镜。他们的新的X射线探测器是基于菲涅耳透镜上,一种类型的复合透镜的,是从玻璃的一个单一的,弯曲的平板没有取得,而是从玻璃的许多件,布置成作用像一个弯曲的透镜。在灯塔,菲涅尔透镜可以跨越跨若干米,它用于聚焦由明亮的灯产生成在海上船只引导定向光束的漫射光。坠落球队制造的相似透镜,尽管小得多,约150微米宽的数量级上,集中的几百微米的软X射线束的直径,下降到约70纳米宽。

这样的美景中,我们使用的概念从已经知道了几百年,并在灯塔已经应用几何光学,和我们只是尺度下来的10000左右的一个因素,”科曼说。

分形纹理

使用他们的特殊的X射线聚焦透镜,研究人员,在布鲁克海文的同步加速器光源,聚焦传入软X射线束到氧化钕镍的薄膜。然后他们扫描x射线的小得多,纳米级光束穿过样品,以映射的大小,形状,和磁畴的取向,逐点。它们映射到的样品在不同温度下,确认该材料成为磁性,或形成磁畴,低于某一临界温度。高于该温度,该结构域消失,磁顺序被有效擦除。

有趣的是,该组发现,如果它们将样品冷却回落到低于临界温度,磁畴几乎是在相同的位置之前又出现了。

“因此,原来的系统内存,”科曼说。 “材料保持的其中磁性比特将是存储器。这也很意外。我们认为我们将看到一个全新的领域分布,但我们观察到相同的模式重新出现,即使在看似完全消除这些磁位。”

映射所述材料的磁畴,和测量每个域的大小后,研究人员计数的给定尺寸的域的数量,并绘制其数量作为尺寸的函数。得到的分布类似于向下的倾斜度 - 他们发现一个规律,周而复始,不管他们集中哪个域大小的范围上。

“我们已经观察到独特的丰富性跨越多个空间尺度的纹理,”李说。 “最引人注目的是,我们发现,这些磁性图案具有分形性质。”

科曼说,了解材料的磁畴如何安排在纳米尺度,并知道他们表现出的内存,是有用的,例如在设计人工神经元,且有弹性,磁性数据存储设备。

“类似于在旋转硬盘磁盘,一个可以设想存储在这些磁畴的信息比特,”坠落说。 “如果材料具有一种记忆,你可以有一个系统,是针对外部扰动强劲,因此即使经过加热,信息也不会丢失。”

这项研究是由美国国家科学基金会和斯隆研究基金的支持。


主题: 材料科学与工程, 磁铁, 物理, 量子力学, 研究, 科学学院, 材料研究实验室, 美国国家科学基金会(NSF)

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