分形图案随处可见，从雪花到闪电到海岸线的锯齿状边缘。 它们的重复性看起来很美丽，也可以激发对物理景观混乱的数学洞察。
这些数学奇特现象的一个新例子是在一种称为自旋冰的磁性物质中被发现的，它可以帮助我们更好地理解一种称为磁单极子的奇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，遵循与水冰类似的结构规则，具有由电子自旋而不是电荷推拉控制的独特相互作用。 由于这种活动，它们不具有任何一种最小活动的低能量状态。 相反，即使在极低的温度下，它们也几乎发出噪音。
这种量子嗡嗡声中出现了奇怪的现象？ 其特性类似于只有一极的磁铁。 虽然它们并不完全是假设的磁单极粒子一些物理学家认为它们可能存在于自然界中，它们的行为方式非常相似，值得研究。
因此，一个国际研究小组最近将注意力转向了一种名为钛酸镝的旋转冰。 当少量的热量施加到材料上时，其典型的磁规则就会被打破并出现单极子，北极和南极分开并独立作用。
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留下了一些疑问。
在这项后续研究中，物理学家意识到单极子并没有随着三个维度的完全自由。 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，以表明单极子运动受到分形图案的限制，该分形图案会根据条件和之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，”物理学家乔纳森·哈伦说来自剑桥大学。
“自旋的配置正在创建一个单极子必须继续前进的网络。该网络以分形的形式分支，具有完全正确的维度。”
这种动态行为解释了为什么传统实验之前错过了分形。 正是单极子周围产生的噪音最终揭示了它们实际上在做什么以及它们遵循的分形图案。
“我们知道发生了一些非常奇怪的事情，”物理学家克劳迪奥·卡斯特尔诺沃说来自英国剑桥大学。 “30 年的实验结果并不成立。”
“在多次尝试解释噪声结果失败后，我们终于灵光一现，意识到磁单极子一定生活在分形世界中，而不是像人们一直假设的那样在三维空间中自由移动。”
此类突破可能会导致科学可能性以及旋转冰等材料的使用方式发生重大变化：也许在自旋电子学，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之外，发现一种新型分形出现的机制还为在三维空间中发生非常规运动提供了一条完全意想不到的途径，”理论物理学家罗德里希·莫斯纳说来自德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所。
该研究发表于科学。
