从微小的雪花到锯齿状的叉子闪电螺栓，在自然界中不难找到分形的例子。 因此，直到现在，仍然有一些地方从未见过这些不断重复的几何图案，这可能会让人感到惊讶。
麻省理工学院的物理学家现在提供了第一个已知的量子材料中分形排列的例子。
这些图案出现在被称为“磁域”的磁性单元的意外分布中，这些磁域是在一种名为氧化钕镍的化合物中形成的，这是一种具有非凡性能的稀土金属。
更好地了解这些领域及其模式可能会带来存储和保护数字信息的新方法。
罗马花椰菜中自然存在的分形图案（甘蓝）。 （Photopips/iStock）
这非常酷，因为氧化钕镍，或 NdNiO3，是奇怪的东西。
从口袋里掏出一块并用电流将其击打，它就会很容易地导电。 将其放入液氮中，使其降至-123摄氏度（-189华氏度）左右的临界温度以下，它就会停止工作并成为绝缘体。
这并不是唯一改变的事情。 作为物理学家里卡多·科明解释说，“该材料在所有温度下都不具有磁性。”
当然，如果你加热得足够好，即使是一块普通的磁化铁也会失去指向北方的能力，所以这并不奇怪。 但氧化钕镍不遵循通常的规则，因此其电子进入磁性排列的精确方式一直是个谜。
我们所知道的是，就像大多数铁磁材料一样，氧化钕镍中的原子组成了微小的磁性定向粒子团，称为磁畴。
磁畴有各种尺寸和排列，具体取决于特定条件下电子与其原子之间的量子相互作用。 但鉴于其作为导体兼绝缘体的性质，它们是如何在氧化钕镍中出现的，是一个大问题。
“我们想看看当材料冷却后达到磁性阶段时，这些磁畴如何突然出现和生长，”科明说。
研究人员过去曾通过材料散射 X 射线来研究其奇怪的翻转电磁特性，希望揭开其电气秘密。
虽然这显示了材料如何在不同温度下分布其电子，但在这种条件下绘制其域的大小和分布需要更集中的方法。
“因此我们采用了一种特殊的解决方案，可以将光束压缩到非常小的占地面积，这样我们就可以逐点绘制这种材料中磁畴的排列，”科明说。
这种特殊的解决方案既古老又新颖——他们使用了许多老式灯塔所采用的相同技术，将光线引导成紧密的光束。
菲涅尔透镜是透明材料的堆叠层，其脊可以改变电磁辐射的方向。 虽然灯塔中的透镜宽度可达数米，但 Comin 和他的团队开发的透镜宽度仅为 150 微米。
最终结果是 X 射线束足够小，足以检测实验室生长的氧化钕镍薄膜上的精细磁畴。
大多数这些域都很小。 其中散布着一些较大的。 但是，一旦对数字进行了处理并绘制了地图，无论您使用什么比例，较大的领域在众多小领域中的分布看起来都非常相似。
“域模式一开始很难破译，但在分析域分布的统计数据后，我们意识到它具有分形行为，”科明说。
“这完全出乎意料——这是机缘巧合。”
既可以充当导体又可以充当绝缘体的材料已经在电子领域发挥着重要作用。 晶体管正是基于这一原理。
但氧化钕镍还有另一个妙招。 当温度再次下降时，相同的分形域图案会再次出现，几乎就像它对在哪里重新绘制边界有某种记忆一样。
“与旋转硬盘中的磁盘类似，人们可以想象在这些磁域中存储一些信息，”科明说。
从弹性记忆存储设备到人工神经元，氧化钕镍必将成为未来电子产品大蓝图的一部分。
这项研究发表于自然通讯。
