“完全意外” - 麻省理工学院科学家发现量子材料的分形图案

雪花中的重复图案是美丽，几何分形的典型例子。现在，MIT科学家首次发现了量子材料的磁性配置中的分形图案。

实验中使用的X射线聚焦透镜基于几个世纪以灯塔在灯塔中使用的设计。

分形是任何几何图案，其在同一对象内以不同的尺寸和尺度再次发生。在整个本质上可以看到这种“自我相似性”，例如在雪花的边缘，河流，蕨类植物中的分裂静脉以及闪电的噼啪声。

现在，MIT和其他地方的物理学家首次在量子材料中发现了一种类似的分形图案 - 由于量子，原子尺度效应，其具有奇怪的电子或磁性行为的材料。

所讨论的材料是氧化钕氧化物，或NdNiO3，一种稀土镍，其可以根据其温度作为电导体和绝缘体作为电导体和绝缘体。材料也恰好是磁性的，尽管其磁性的方向在整个材料中不均匀，但相当类似于“域”的拼凑。每个结构域表示具有特定磁取向的材料区域，并且畴可以在整个材料中尺寸和形状变化。

在他们的研究中，研究人员在材料的磁性畴的质地内识别出一种类似的图案。他们发现，域尺寸的分布类似于向下倾斜，反映更高数量的小域和较小的大域。如果研究人员在总分配的任何部分放大 - 例如，一片中型域 - 它们观察到相同的向下倾斜模式，具有较高数量的更小的域。

事实证明，无论尺寸范围，或观察到的规模，这种材料都会在整个材料中重复出现相同的分布 - 该团队在自然界中被认为是分形的质量。

“域模式首先难以破译，但在分析域分布的统计之后，我们意识到它具有分形行为，”麻省理工学院物理学助理教授Riccardo Comin说。“这是完全出乎意料的 - 这是偶然性。”

科学家们正在探索各种应用的钕氧化镍，包括作为神经晶体器件的可能构建块 - 模拟生物神经元的人工系统。正如神经元都可以是有效和非活动的，取决于它接收的电压，NDNIO3可以是导体或绝缘体。COMIN说了解材料的纳米级磁性和电子纹理是理解和工程师的其他材料对于类似的范围。

COMIN及其同事，包括领导作者和麻省理工学院研究生Jiarui Li，于2019年10月15日在“自然通信”期刊上发表了结果。

灯塔，重新分叉

COMIN和LI不打算在量子材料中发现分形。相反，该团队正在研究温度对材料磁性畴的影响。

“材料在所有温度下都没有磁性，”Comin说。“我们希望在冷却材料时达到磁相时，我们希望如何弹出和生长。”

为此，该团队必须设计一种方法来测量纳米级的材料的磁畴，因为一些域可以像几个原子一样小，而其他域则跨越成千上万的原子。

研究人员经常使用X射线来探测材料的磁性。这里，使用低能量X射线，称为软X射线，用于感测材料的磁秩序及其构造。COMIN及其同事使用Brookhaven National实验室的国家同步射箭光源II进行了这些研究，其中大盘上的巨大环形粒子​​加速器吊索电子。本机生产的软X射线的明亮梁是用于材料最先进的材料的工具。

“但仍然，这种X射线束不是纳米镜，”Comin说。“所以我们采用了一种特殊的解决方案，允许将此光束挤压到一个非常小的占地面积，使我们可以映射到这种材料中的磁畴的布置。”

最后，研究人员基于一段几个世纪以来的灯塔使用的设计开发了一种新的X射线聚焦镜头。它们的新X射线探针基于菲涅耳透镜，一种复合透镜，由单个弯曲的玻璃板制成，而是从许多玻璃，布置成像弯曲透镜一样。在灯塔中，菲涅耳透镜可以跨越几米，它用于将由明亮灯产生的漫反射到引导海上​​船舶的方向梁的漫反射光。COMIN的团队制造了类似的镜头，虽然大约150微米宽的尺寸更小，但要将一个柔软的X射线束聚焦直径数百微米，下降至约70纳米宽。

“这是美丽的，我们正在使用几何光学器件的概念，这些概念已知几个世纪以来，并且已应用于灯塔，我们只是将它们缩小为10,000左右，”Comin说。

分形纹理

使用其特殊的X射线聚焦镜头，研究人员，在布鲁克海汶的同步光源，将传入的软X射线光束聚焦到氧化钕薄膜上。然后，它们扫描了横跨样品的小得多，纳米镜梁的X射线，以映射磁畴的尺寸，形状和取向，点按点。它们在不同温度下映射了样品，确认材料成为磁性或形成的磁畴，低于某个临界温度。在该温度之上，域消失，磁场有效地擦除。

有趣的是，如果他们将样品冷却到低于临界温度的情况下，则磁畴几乎在与之前的同一位置中重新出现。

“所以它让系统有内存，”Comin说。“该材料保留了磁性比特的位置。这也非常出乎意料。我们认为我们会看到一个完全新的域分布，但我们观察到同样的模式重新涌现，即使在看似抹去这些磁性位之后。“

在映射材料的磁畴后，测量每个域的大小，研究人员计算了给定尺寸的域的数量，并将其数量绘制为尺寸的函数。由此产生的分布类似于向下倾斜 - 无论他们专注于哪个域尺寸，它们都会再次找到它们的模式。

“我们观察了跨越多个空间秤的独特富裕的纹理，”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。”

COMIN说，了解材料的磁畴如何在纳米级上排列，并且知道它们表现出记忆，是有用的，例如在设计人工神经元和弹性，磁数据存储装置中。

“类似于纺丝硬盘驱动器中的磁盘，可以设想在这些磁性域中的信息存储位，”Comin说。“如果材料有一种内存，你可以拥有一个对外部扰动的强大的系统，因此即使经过热量，信息也不会丢失。”

该研究得到了国家科学基金会和斯隆研究奖学金支持。

参考：Jiarui Li，Jonathan Pelliciari，Claudio Mazzoli，Sara Catalano，Forrest Simmons，Jerzy T. Sadowski，亚伯拉罕Levitan，Marta Gibert，Erica Carson，Jean-Marc Triscone，Stuart Wilkins，Stuart Wilkins和2019年10月15日的Riccardo Comin，2019年10月15日，在Nature Communications.Doi：
10.1038 / s41467-019-12502-0