Название, достойное научно-фантастического фильма, и все же… Группе исследователей удалось создать темпоральный (пространственно-временной) кристалл микрометрического размера, состоящий из магнонов при комнатной температуре и снимать его поведение с помощью сверхточного рентгеновского микроскопа. Впервые в мире была снята повторяющаяся периодическая структура намагниченности.
Немецко-польская исследовательская группа стоит у истоков этого настоящего технического подвига. Исследователи создали кристалл времени микрометрового размера, состоящий из магнонов при комнатной температуре, а затем с помощью сканирующего просвечивающего рентгеновского микроскопа Maxymus в Центре Гельмгольца в Берлине они смогли заснять структуру намагниченности, периодически повторяющуюся в кристалле.
Кристалл - это твердое тело, атомы или молекулы которого регулярно расположены в определенной структуре. Если мы посмотрим на расположение под микроскопом, мы обнаружим атом или молекулу всегда через одни и те же интервалы. То же самое верно и для пространственно-временных кристаллов: однако повторяющаяся структура существует не только в пространстве, но и во времени. Меньшие компоненты постоянно находятся в движении, пока через некоторое время они не перестроятся в исходный узор.
Революционное открытие
В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек открыл симметрию материи во времени. Он считается первооткрывателем этих так называемых кристаллов времени, хотя как теоретик предсказал их только гипотетически.
С тех пор несколько ученых искали материалы, в которых можно было бы наблюдать это явление. Истинное существование пространственно-временных кристаллов было впервые подтверждено в 2017 г. Однако рассматриваемые структуры имели размер всего несколько нанометров и формировались только при очень низких температурах, ниже -250 градусов Цельсия..
Тот факт, что немецко-польской исследовательской группе удалось получить изображения относительно больших пространственно-временных кристаллов (несколько микрометров) при комнатной температуре, считается революционным. Подвиг также заключается в том, что они смогли показать, что их темпоральный кристалл, состоящий из магнонов, может взаимодействовать с другими магнонами, которые сталкиваются с ним.
Исключительный опыт
«Мы взяли регулярно повторяющийся образец магнонов в пространстве и времени, отправили больше магнонов, и в конце концов они рассеялись. Таким образом, нам удалось показать, что кристалл времени может взаимодействовать с другими квазичастицами. Пока никому не удалось это показать. непосредственно в эксперименте, не говоря уже о видео», - говорит Ник Трегер, аспирант Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, ведущий автор публикации вместе с Павлом Грушецки.
В своем эксперименте Грушецки и Трегер поместили полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они посылали радиочастотный ток. Это микроволновое поле запускало колеблющееся магнитное поле, источник энергии, который стимулировал магноны в зоне (квазичастица спиновой волны). Магнитные волны мигрировали в полосе слева направо, спонтанно конденсируясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от тривиальных стоячих волн, эта картина сформировалась еще до того, как две сходящиеся волны смогли даже встретиться и интерферировать. Паттерн, который регулярно исчезает и появляется снова, следовательно, должен быть квантовым эффектом.
Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, заведующая кафедрой современных магнитных систем, подчеркивает уникальность используемой рентгеновской камеры: «Она не только может отображать видимые волновые фронты с очень высоким разрешением, которое в 20 раз лучше, чем у лучших оптических микроскопов. Он может даже делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду и с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям».
«Мы смогли показать, что эти пространственно-временные кристаллы гораздо более прочны и широко распространены, чем предполагалось», - говорит Павел Грущецкий, ученый с физического факультета университета имени Адама Мицкевича в Познани.«Наш кристалл конденсируется при комнатной температуре, и частицы могут взаимодействовать с ним - в отличие от изолированной системы. Более того, он вырос до размера, который можно использовать для реальных приложений».
“Классические кристаллы имеют очень широкий спектр применения. Теперь, если кристаллы могут взаимодействовать не только в пространстве, но и во времени, мы добавим еще одно измерение к возможным приложениям. Потенциал технологий связи, радиолокации или обработки изображений огромен», - заключает Йоахим Грефе, бывший руководитель исследовательской группы Департамента современных магнитных систем и соавтор исследования.