Um fractal é qualquer padrão geométrico que ocorre repetidamente, em diferentes tamanhos e escalas, dentro do mesmo objeto. Essa "auto-semelhança" pode ser vista em toda a natureza, por exemplo, na borda de um floco de neve, uma rede de rios, as veias rachadas em uma samambaia, e os garfos crepitantes do relâmpago.

Agora, os físicos do MIT e de outros lugares descobriram, pela primeira vez, padrões semelhantes a fractais em um material quântico - um material que exibe um comportamento eletrônico ou magnético estranho, como resultado do quantum, efeitos em escala atômica.

O material em questão é óxido de níquel e neodímio, ou NdNiO ₃ , um níquelato de terra rara que pode atuar, paradoxalmente, como um condutor elétrico e isolante, dependendo de sua temperatura. O material também passa a ser magnético, embora a orientação de seu magnetismo não seja uniforme em todo o material, mas se assemelha a uma colcha de retalhos de "domínios". Cada domínio representa uma região do material com uma orientação magnética particular, e os domínios podem variar em tamanho e forma em todo o material.

Em seu estudo, os pesquisadores identificaram um padrão semelhante a um fractal na textura dos domínios magnéticos do material. Eles descobriram que a distribuição de tamanhos de domínio se assemelha a uma inclinação descendente, refletindo um maior número de pequenos domínios e um menor número de grandes domínios. Se os pesquisadores ampliassem qualquer parte da distribuição total, digamos, uma fatia de domínios de médio porte - eles observaram o mesmo padrão inclinado para baixo, com um número maior de domínios menores versus domínios maiores.

Acontece que esta mesma distribuição aparece repetidamente em todo o material, não importa a faixa de tamanho, ou escala em que é observada - uma qualidade que a equipe reconheceu como fractal por natureza.

"O padrão de domínio foi difícil de decifrar no início, mas depois de analisar as estatísticas de distribuição de domínio, percebemos que tinha um comportamento fractal, "diz Riccardo Comin, professor assistente de física no MIT. "Foi completamente inesperado - foi um acaso."

Os cientistas estão explorando o óxido de níquel e neodímio para várias aplicações, inclusive como um possível bloco de construção para dispositivos neuromórficos - sistemas artificiais que imitam neurônios biológicos. Assim como um neurônio pode ser ativo e inativo, dependendo da voltagem que recebe, O NdNiO3 pode ser um condutor ou isolante. Comin diz que uma compreensão das texturas magnéticas e eletrônicas em nanoescala do material é essencial para entender e projetar outros materiais para escopos semelhantes.

Comin e seus colegas, incluindo o autor principal e estudante de pós-graduação do MIT Jiarui Li, publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications .

Faróis, reorientado

Comin e Li não pretendiam encontrar fractais em um material quântico. Em vez de, a equipe estava estudando o efeito da temperatura nos domínios magnéticos do material.

"O material não é magnético em todas as temperaturas, "Comin diz." Queríamos ver como esses domínios surgem e crescem assim que a fase magnética é alcançada no resfriamento do material. "

Fazer isso, a equipe teve que criar uma maneira de medir os domínios magnéticos do material em nanoescala, uma vez que alguns domínios podem ser tão pequenos quanto vários átomos de largura, enquanto outros abrangem dezenas de milhares de átomos.

Os pesquisadores costumam usar raios-X para sondar as propriedades magnéticas de um material. Aqui, raios-X de baixa energia, conhecido como raios X suaves, foram usados ​​para detectar a ordem magnética do material e sua configuração. Comin e colegas realizaram esses estudos usando a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II no Laboratório Nacional de Brookhaven, onde um enorme, acelerador de partículas em forma de anel lança elétrons aos bilhões. Os feixes luminosos de raios X suaves produzidos por esta máquina são uma ferramenta para a caracterização mais avançada de materiais.

"Mas ainda, este feixe de raios-X não é nanoscópico, "Comin diz." Então, adotamos uma solução especial que permite reduzir esse feixe a uma pegada muito pequena, para que pudéssemos mapear, ponto por ponto, o arranjo de domínios magnéticos neste material. "

No fim, os pesquisadores desenvolveram uma nova lente de foco de raios-X baseada em um design que tem sido usado em faróis por séculos. Sua nova sonda de raios-X é baseada na lente de Fresnel, um tipo de lente composta, que não é feito de um único, placa curva de vidro, mas de muitos pedaços de vidro, disposta para agir como uma lente curva. Nos faróis, uma lente de Fresnel pode ter vários metros de diâmetro, e é usado para concentrar a luz difusa produzida por uma lâmpada brilhante em um feixe direcional que orienta os navios no mar. A equipe de Comin fabricou uma lente semelhante, embora muito menor, da ordem de cerca de 150 mícrons de largura, para focalizar um feixe de raios-X suave de várias centenas de mícrons de diâmetro, até cerca de 70 nanômetros de largura.

"A beleza disso é, estamos usando conceitos de óptica geométrica que são conhecidos há séculos, e têm sido aplicados em faróis, e estamos apenas reduzindo-os por um fator de 10, 000 ou mais, "Comin diz.

Texturas fractais

Usando suas lentes especiais de foco de raios-X, Os pesquisadores, na fonte de luz síncrotron de Brookhaven, focalizou os feixes de raios X suaves de entrada em uma película fina de óxido de níquel e neodímio. Em seguida, eles digitalizaram o muito menor, feixe nanoscópico de raios-X em toda a amostra para mapear o tamanho, forma, e orientação dos domínios magnéticos, ponto por ponto. Eles mapearam a amostra em diferentes temperaturas, confirmando que o material se tornou magnético, ou domínios magnéticos formados, abaixo de uma certa temperatura crítica. Acima desta temperatura, os domínios desapareceram, e a ordem magnética foi efetivamente apagada.

Interessantemente, o grupo descobriu que se eles resfriaram a amostra de volta abaixo da temperatura crítica, os domínios magnéticos reapareceram quase no mesmo lugar de antes.

"Acontece que o sistema tem memória, "Comin diz." O material retém uma memória de onde os bits magnéticos estariam. Isso também foi muito inesperado. Achamos que veríamos uma distribuição de domínio completamente nova, mas observamos o mesmo padrão ressurgindo, mesmo depois de aparentemente apagar esses bits magnéticos completamente. "

Depois de mapear os domínios magnéticos do material, e medir o tamanho de cada domínio, os pesquisadores contaram o número de domínios de um determinado tamanho, e traçou seu número em função do tamanho. A distribuição resultante se assemelhava a uma inclinação descendente - um padrão que eles encontraram, de novo e de novo, não importa em qual intervalo de tamanho de domínio eles se concentraram.

"Observamos texturas de riqueza única abrangendo múltiplas escalas espaciais, "Li diz." O mais impressionante, descobrimos que esses padrões magnéticos têm uma natureza fractal. "

Comin diz que entender como os domínios magnéticos de um material se organizam em nanoescala, e sabendo que eles exibem memória, é útil, por exemplo, no projeto de neurônios artificiais, e resiliente, Dispositivos de armazenamento magnético de dados.

"Semelhante aos discos magnéticos em discos rígidos giratórios, pode-se imaginar o armazenamento de bits de informação nesses domínios magnéticos, "Comin diz." Se o material tem uma espécie de memória, você poderia ter um sistema robusto contra perturbações externas, então, mesmo se submetido ao calor, a informação não é perdida. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.