Немецко-польской группе исследователей удалось создать кристалл пространства-времени микрометрового размера, состоящий из магнонов при комнатной температуре. С помощью сканирующего просвечивающего рентгеновского микроскопа Maxymus в Bessy II в Центре Гельмгольца в Берлине они смогли снять повторяющуюся периодическую структуру намагниченности в кристалле. Этот исследовательский проект, опубликованный в Physical Review Letters, стал результатом сотрудничества ученых из Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия, Университета Адама Мицкевича и Польской академии наук в Познани в Польше.
Порядок в пространстве и периодичность во времени
Кристалл — это твердое тело, атомы или молекулы которого регулярно расположены в определенной структуре. Если посмотреть на устройство в микроскоп, можно обнаружить атом или молекулу всегда с одинаковыми интервалами. Это похоже на кристаллы пространства-времени: однако повторяющаяся структура существует не только в пространстве, но и во времени. Самые маленькие компоненты постоянно находятся в движении, пока по прошествии определенного периода они снова не приведут в исходное состояние.
В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек открыл симметрию материи во времени. Его считают первооткрывателем этих так называемых кристаллов времени, хотя как теоретик он предсказал их только 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 размеры структур составляли всего несколько нанометров, и они образовывались только при очень низких температурах ниже минус 250 градусов Цельсия.. Таким образом, тот факт, что немецко-польским ученым удалось отобразить относительно большие пространственно-временные кристаллы размером в несколько микрометров на видео при комнатной температуре, считается новаторским. Но также потому, что они смогли показать, что их пространственно-временной кристалл, состоящий из магнонов, может взаимодействовать с другими магнонами, которые сталкиваются с ним.
Исключительный эксперимент удался
Исследователи взяли регулярно повторяющийся образец магнонов в пространстве и времени, отправили больше магнонов, и в конце концов они рассеялись. Таким образом, они смогли показать, что временной кристалл может взаимодействовать с другими квазичастицами. Никто еще не смог показать это непосредственно в эксперименте, не говоря уже о видео.
В своем эксперименте группа ученых поместили полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они пропустили радиочастотный ток. Это микроволновое поле вызвало колебательное магнитное поле, источник энергии, который стимулировал магноны в полосе — квазичастице спиновой волны. Магнитные волны мигрировали в полосу слева и справа, спонтанно сгущаясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от тривиальных стоячих волн, этот узор был сформирован еще до того, как две сходящиеся волны смогли встретиться и пересечься. Паттерн, который регулярно исчезает и появляется снова сам по себе, должен быть квантовым эффектом.
Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, которая возглавляет отдел современных магнитных систем, отмечает уникальность рентгеновской камеры:
Она не только позволяет видеть фронты волн с очень высоким разрешением, которое в 20 раз лучше, чем лучший световой микроскоп. Он может даже делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям.
Ученые смогли показать, что такие пространственно-временные кристаллы намного прочнее и широко распространены, чем предполагалось. Полученный кристалл конденсируется при комнатной температуре, и частицы могут взаимодействовать с ним — в отличие от изолированной системы. Более того, он достиг размера, который можно было бы использовать для чего-нибудь с этим магнонным кристаллом пространства-времени. Это может привести к множеству потенциальных приложений.
