Группе немецко-польских исследователей удалось создать пространственно-временной кристалл микрометрового размера, состоящий из магнонов при комнатной температуре. С помощью сканирующего просвечивающего рентгеновского микроскопа Maxymus в Bessy II в Helmholtz Zentrum Berlin они смогли заснять повторяющуюся периодическую структуру намагниченности в кристалле. Исследовательский проект, опубликованный в журнале Physical Review Letters, стал результатом сотрудничества ученых из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте, Германия, Университета Адама Мицкевича и Польской академии наук в Познани, Польша.
Порядок в пространстве и периодичность во времени
Кристалл - это твердое тело, атомы или молекулы которого регулярно расположены в определенной структуре. Если посмотреть на расположение в микроскоп, то можно обнаружить атом или молекулу всегда через одни и те же интервалы. Аналогично и с пространственно-временными кристаллами: однако повторяющаяся структура существует не только в пространстве, но и во времени. Мельчайшие компоненты находятся в постоянном движении до тех пор, пока по истечении определенного периода времени они снова не складываются в первоначальный паттерн.
В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек открыл симметрию материи во времени. Он считается первооткрывателем этих так называемых кристаллов времени, хотя как теоретик предсказал их лишь гипотетически. С тех пор несколько ученых искали материалы, в которых наблюдается это явление. Тот факт, что кристаллы пространства-времени действительно существуют, был впервые подтвержден в 2017 году. Однако структуры имели размер всего несколько нанометров и формировались только при очень низких температурах ниже минус 250 градусов по Цельсию. Поэтому тот факт, что немецко-польским ученым удалось заснять относительно большие кристаллы пространства-времени размером в несколько микрометров на видео при комнатной температуре, считается новаторским. Но также и потому, что они смогли показать, что их пространственно-временной кристалл, состоящий из магнонов, может взаимодействовать с другими магнонами, которые с ним сталкиваются.
Удачный исключительный эксперимент
Мы взяли регулярно повторяющийся паттерн магнонов в пространстве и времени, отправили туда больше магнонов, и они в конце концов рассеялись. Таким образом, мы смогли показать, что кристалл времени может взаимодействовать с другими квазичастицами. Никто еще не смог показать это непосредственно в эксперименте, не говоря уже о видео», - говорит Ник Трегер, аспирант Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, который вместе с Павлом Грушецки является первым автором публикации.
В своем эксперименте Грушецки и Трегер поместили полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они послали радиочастотный ток. Это микроволновое поле запускало колеблющееся магнитное поле, источник энергии, который стимулировал магноны в полосе - квазичастицы спиновой волны. Магнитные волны мигрировали в полосу слева и справа, спонтанно конденсируясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от тривиальных стоячих волн, эта модель сформировалась еще до того, как две сходящиеся волны смогли встретиться и интерферировать. Паттерн, который регулярно исчезает и вновь появляется сам по себе, должен, таким образом, быть квантовым эффектом.
Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, возглавляющая отдел современных магнитных систем, указывает на уникальность рентгеновской камеры: «Она не только может делать видимыми волновые фронты с очень высоким разрешением, в 20 раз лучше, чем лучший световой микроскоп. Он может делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям."
«Мы смогли показать, что такие кристаллы пространства-времени гораздо более прочны и широко распространены, чем предполагалось», - говорит Павел Грущецкий, ученый с физического факультета Университета Адама Мицкевича в Познани.«Наш кристалл конденсируется при комнатной температуре, и частицы могут взаимодействовать с ним - в отличие от изолированной системы. Более того, он достиг размера, который можно использовать, чтобы что-то делать с этим кристаллом магнонного пространства-времени. Это может привести к множеству потенциальных применений."
Йоахим Грефе, бывший руководитель исследовательской группы отдела современных магнитных систем и последний автор публикации, заключает: «Классические кристаллы имеют очень широкую область применения. Теперь, если бы кристаллы могли взаимодействовать не только в космосе, также со временем мы добавим еще одно измерение возможных приложений. Потенциал для связи, радаров или технологий обработки изображений огромен».