2.53维平面：磁单极子或许仅能存在于分形结构中

自然界里分形无处不在。某些复杂的数学结构可以呈现出奇特的物理特性。

在一种被称为自旋冰的磁性物质中发现了最新的案例，它可以帮助我们更好地理解磁单极子的古怪行为是如何从其不稳定的结构中出现的。

自旋冰是磁性晶体，遵循与水冰相似的结构规则，其独特的相互作用由电子自旋而不是电荷的推拉控制。 所以它们没有任何单一的最低能量状态。 相反，它们会嗡嗡作响，即使在极低的温度下也是如此。

量子嗡嗡声出现了一种奇怪的现象——就像只有单极的磁铁一样。虽然它们并不完全是物理学中的独角兽——磁单极子粒子，但它们的行为方式非常相似，因此值得研究。

因此，一个国际研究小组最近将注意力转向了名为钛酸镝的自旋冰。 当对材料施加少量热时，其典型的磁规则就会被打破，单极子就会出现，北极和南极分开并独立运作。

几年前，一组研究人员在钛酸镝自旋冰的量子嗡嗡声中发现了标志性的磁单极子活动，但结果对这些单极子运动的确切性质提出了一些疑问。

在这项后续研究中，物理学家意识到磁单极子并没有在三个维度上完全自由地移动。 相反，它们被限制在固定晶格内的 2.53 维平面内。

科学家们在原子尺度上创建了复杂的模型，以表明单极子运动被限制在一个分形模式中，该模式根据条件和先前的运动被擦除和重写。

“当我们将其输入模型时，分形立即出现。”剑桥大学的物理学家 Jonathan Hallén 说，“自旋的配置正在创建一个单极子必须继续移动的网络。该网络正在自重复出具有完全正维度的分形。”

这种动态行为解释了为什么传统实验以前错过了分形。正是单极子周围产生的噪音最终揭示了它们实际在做什么以及它们遵循的分形模式。

“我们知道发生了一些非常奇怪的事情。”英国剑桥大学的物理学家 Claudio Castelnovo 说。 “数据和30年里的实验结果并不相符。”

“在多次尝试解释噪声结果失败后，我们终于有了灵光一现的时刻，意识到磁单极子一定生活在分形世界中，而不是像一直假设的那样在三个维度上自由移动。”

也许在自旋电子学中，这是一个新兴的研究领域，可以为我们今天使用的电子产品提供下一代升级。

“除了解释长期以来一直挑战我们的几个令人费解的实验结果外，发现一种新型分形出现的机制还导致了在三个维度上发生非常规运动的完全出乎意料的途径。”来自德国马克斯普朗克复杂系统物理研究所的理论物理学家 Roderich Moessner说。

该研究已发表在《科学》上。

https://www.sciencealert.com/a-new-type-of-fractal-has-been-discovered-in-magnetic-ice