FísicaPela primeira vez na história, cientistas descobrem padrões fractais em um material quântico

Desde pequenos flocos de neve até a forma dos relâmpagos, não é difícil encontrar exemplos de padrões fractais no mundo natural.
Milena Elísios1 mês atrás(Imagem: Pete LinForth / Pixabay)
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Físicos do MIT forneceram o primeiro exemplo conhecido de um padrões fractais em um material quântico. Os padrões foram vistos em uma distribuição inesperada de unidades magnéticas chamadas ‘domínios’, que se desenvolvem em um composto chamado óxido de neodímio-níquel – um metal de terras raras com muitas propriedades extraordinárias.

Obter uma melhor compreensão desses domínios e de seus padrões pode levar a novas formas de armazenar e proteger informações digitais.

Padrões fractais de ocorrência natural em brócolis Romanesco (Brassica oleracea). (Photopips / iStock)

O que é uma padrão fractal? 

Um padrão fractal representa um objetos geométrico que pode ter uma estrutura básica, fragmentada ou irregular, que se repete em diferentes escalas. Em outra palavras, esses objetos contém cópias menores deles mesmos, que por sua vez contém cópias ainda menores e assim por diante.

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Os fractais estão relacionados a áreas da física e da matemática que são conhecidas por Sistemas Dinâmicos e Teoria do Caos, porque suas equações são utilizadas para descrever fenômenos que, apesar de parecerem aleatórios, obedecem certas regras, como, por exemplo, o fluxo dos rios. Os fractais não podem ser explicados pela geometria euclidiana – aquela que a gente aprende na escola -, já que possuem dimensão fracionária, que está relacionada com a quantidade e a escala de ampliação das cópias da figura contidas dentro dela mesma.

Óxido de neodímio-níquel

Como a maioria dos materiais ferromagnéticos, os átomos do óxido de neodímio e níquel se unem como pequenos aglomerados de partículas magneticamente orientadas chamadas domínios.

Os domínios vêm em vários tamanhos e arranjos, dependendo das interações quânticas entre elétrons e seus átomos sob certas condições. Mas exatamente como eles emergem no óxido de neodímio-níquel, dada a sua natureza como condutor, iluminando a lua como isolante, era a grande questão.

“Queríamos ver como esses domínios surgem e crescem quando a fase magnética é atingida após o resfriamento do material”, diz Comin.

No passado, os pesquisadores espalharam raios-X pelo material para estudar suas estranhas propriedades eletromagnéticas de flip-flopping na esperança de descobrir seus segredos elétricos.

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Enquanto isso mostrava como o material distribui seus elétrons em diferentes temperaturas, o mapeamento do tamanho e da distribuição de seus domínios sob tais condições exigia uma abordagem mais focada.

“Então adotamos uma solução especial que permite comprimir esse feixe em uma área muito pequena, para que possamos mapear, ponto a ponto, o arranjo dos domínios magnéticos nesse material”, diz Comin .

Essa solução especial era tão antiga quanto inovadora – eles usavam a mesma tecnologia que muitos faróis antiquados empregam para canalizar a luz para um feixe estreito.

As lentes Fresnel são camadas empilhadas de um material transparente com sulcos que redirecionam a radiação eletromagnética. Enquanto as lentes dos faróis podem ter metros de comprimento, as que Comin e sua equipe desenvolveram tinham apenas 150 mícrons de largura.

O resultado final foi um feixe de raios X pequeno o suficiente para detectar a escala fina de domínios magnéticos através de uma fina película de óxido de níquel-neodímio produzido em laboratório.

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A maioria desses domínios eram minúsculos. Espalhados entre eles estavam alguns maiores. Mas uma vez que os números foram agrupados e um mapa desenhado, a distribuição de domínios maiores entre um mar de domínios minúsculos parecia assustadoramente semelhante, não importando a escala que você estivesse usando.

“O padrão do domínio foi difícil de decifrar no começo, mas depois de analisar as estatísticas da distribuição do domínio, percebemos que ele tinha um comportamento fractal”, afirma Comin.

“Foi completamente inesperado – foi um acaso”.

Os materiais que podem atuar como condutor e isolador já desempenham um grande papel no mundo da eletrônica. Os transistores são baseados neste mesmo princípio.

Mas o óxido de neodímio-níquel tem outro truque na manga. O mesmo padrão fractal de domínios reaparece quando a temperatura cai novamente, quase como se tivesse algum tipo de memória sobre onde redesenhar suas bordas.

“Semelhante aos discos magnéticos nos discos rígidos giratórios, pode-se imaginar o armazenamento de bits de informação nesses domínios magnéticos”, diz Comin.

De dispositivos resilientes de armazenamento de memória a neurônios artificiais, o óxido de neodímio-níquel certamente fará parte do quadro geral dos futuros eletrônicos.

Esta pesquisa foi publicada na Nature Communications.

FONTE / Science Alert

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