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Des motifs fractals dans un matériau quantique confirmés pour la première fois

fractal quantique Sep 29, 2021

Le mot "fractale" est devenu de plus en plus populaire, bien que le concept soit né il y a plus de trois siècles - au XVIIe siècle - avec l'éminent et prolifique mathématicien et philosophe Gottfried Wilhelm Leibnitz. Leibnitz aurait été le premier à aborder la notion d'autosimilarité récursive, et ce n'est qu'en 1960 que le concept a été formellement établi, tant sur le plan théorique que pratique, grâce au développement mathématique et aux visualisations informatiques de Benoît Mandelbrot, qui lui a donné le nom de "fractale".

Les fractales se définissent principalement par trois caractéristiques:

  1. L'autosimilarité : des formes identiques ou très similaires à toutes les échelles.
  2. L'itération : une relation récursive limitée uniquement par la capacité de l'ordinateur. Avec des performances suffisamment élevées, les itérations peuvent être infinies. Cela permet d'obtenir des formes très détaillées à toutes les échelles, qui se modifient par rapport à la première itération, manifestant la forme originale à certains niveaux d'itération. Pour cette raison, les fractales peuvent avoir des propriétés émergentes, ce qui en fait un outil approprié pour l'étude des systèmes complexes
  3. La dimension fractale, ou dimensions fractionnaires, décrit la notion contre-intuitive selon laquelle une longueur mesurée change avec la longueur de la mesure utilisée ; elle quantifie le nombre de mesures, par exemple, la longueur d'un littoral, change avec l'échelle appliquée à la mesure.

Image de : Arkadiusz Jadczyk

 

"La dimension fractale d'une courbe peut être expliquée intuitivement en pensant à une ligne fractale comme un objet trop détaillé pour être unidimensionnel, mais trop simple pour être bidimensionnel."

David Harte [1]

 

Bien que les fractales soient aujourd'hui couramment utilisées pour décrire le régime macroscopique tel que les branches d'un arbre, un brocoli, les vaisseaux sanguins et bien d'autres choses, des physiciens du MIT ont découvert pour la première fois des motifs de type fractal dans un matériau quantique. Ce matériau est l'oxyde de néodyme-nickel - NdNiO3- un nickélate de terre rare qui conduit l'électricité ou agit comme un isolant selon sa température. Il présente également un magnétisme homogène : des domaines ou des régions présentant une orientation magnétique spécifique dont la taille et la forme varient dans tout le matériau. Le matériau présente ce comportement électronique et magnétique particulier en raison d'effets quantiques, à l'échelle atomique, et c'est pourquoi on l'appelle un matériau quantique.

Les chercheurs ont dû concevoir une lentille de focalisation des rayons X très spéciale pour cartographier la taille, la forme et l'orientation des domaines magnétiques point par point à différentes températures, confirmant que le matériau formait des domaines magnétiques en dessous d'une certaine température critique. Au-dessus de cette température, les domaines disparaissaient, effaçant l'ordre magnétique. Néanmoins, si les chercheurs refroidissaient l'échantillon pour le ramener en dessous de la température critique, les domaines magnétiques réapparaissaient presque au même endroit qu'avant ! Cela signifie que le système possède une mémoire, ce qui était inattendu. Cela permettrait d'avoir un système résistant aux perturbations externes, comme une forte chaleur, de sorte que l'information ne soit pas perdue.

Ensuite, après avoir cartographié les domaines magnétiques du matériau et mesuré la taille de chaque domaine, les chercheurs ont compté le nombre de domaines d'une taille donnée et ont assigné leur nombre à leur taille. La distribution qui en résulte présente toujours le même modèle, quelle que soit la gamme de taille de domaine sur laquelle ils se focalisent. Ils ont découvert que ces motifs magnétiques sont de nature fractale !

 

C'était complètement inattendu - c'était de la sérendipité.”

Riccardo Comin, professeur adjoint de physique au MIT.

 

Parce que le matériau agit comme un isolant ou un conducteur en fonction de la température, les scientifiques explorent l'oxyde de néodyme-nickel pour les dispositifs neuromorphiques - des dispositifs qui imitent les neurones biologiques. Ici, la température jouerait le rôle de la tension dans le système biologique, qui est actif ou inactif en fonction de la tension qu'il reçoit. Des dispositifs de stockage de données magnétiques et résistants constituent une autre application potentielle.

Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Nature Communications.

 

La  Perspective de RSF


Bien que nous n'ayons pas abordé formellement la nature fractale du modèle holographique (elle sera expliquée dans le prochain module 8), cette observation expérimentale est très importante car elle prouve que la fractalité se produit également à l'échelle quantique. En fait, la fractalité est aussi fondamentale pour le modèle holographique que l'intrication. Dans la science traditionnelle, il n'y aurait pas d'explications physiques pour ces résultats. Heureusement, nous avons le modèle holographique généralisé et la théorie de l'unification pour y répondre !

 

Article original en anglais : https://www.resonancescience.org/blog/Fractal-Pattern-in-a-Quantum-Material-Confirmed-for-the-First-Time

 

 

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