Verdens første video af en rum-tid-krystal

Det er lykkedes for et tysk-polsk forskerhold at skabe en mikrometerstor rum-tid-krystal bestående af magnoner ved stuetemperatur. Ved hjælp af scanningstransmissionsrøntgenmikroskopet Maxymus ved Bessy II ved Helmholtz Zentrum Berlin, de var i stand til at filme den tilbagevendende periodiske magnetiseringsstruktur i en krystal. Udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskningsprojektet var et samarbejde mellem forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, Adam Mickiewicz-universitetet og det polske videnskabsakademi i Poznań i Polen.

Orden i rummet og en periodicitet i tiden

En krystal er et fast stof, hvis atomer eller molekyler regelmæssigt er arrangeret i en bestemt struktur. Hvis man ser på arrangementet med et mikroskop, man opdager et atom eller et molekyle altid med samme intervaller. Det ligner rum-tidskrystaller:dog den tilbagevendende struktur eksisterer ikke kun i rummet, men også i tide. De mindste komponenter er konstant i bevægelse indtil, efter en vis periode, de arrangerer igen i det originale mønster.

I 2012 Nobelprisvinderen i fysik Frank Wilczek opdagede stoffets symmetri i tide. Han betragtes som opdageren af ​​disse såkaldte tidskrystaller, selvom han som teoretiker kun forudsagde dem hypotetisk. Siden da, flere videnskabsmænd har søgt efter materialer, hvori fænomenet er observeret. Det faktum, at rum-tid-krystaller faktisk eksisterer, blev først bekræftet i 2017. strukturerne var kun få nanometer store og dannede kun ved meget kolde temperaturer under minus 250 grader celsius. At de tysk-polske videnskabsmænd nu er lykkedes med at afbilde relativt store rumtidskrystaller på få mikrometer i en video ved stuetemperatur, anses derfor for banebrydende. Men også fordi de var i stand til at vise, at deres rum-tid krystal, som består af magnoner, kan interagere med andre magnoner, der støder på det.

Et enestående eksperiment lykkedes

"Vi tog det regelmæssigt tilbagevendende mønster af magnoner i rum og tid, sendte flere magnoner ind, og til sidst spredte de sig. Dermed, vi var i stand til at vise, at tidskrystallen kan interagere med andre kvasipartikler. Ingen har endnu været i stand til at vise dette direkte i et eksperiment, endsige i en video, " siger Nick Träger, en ph.d.-studerende ved Max Planck Institute for Intelligent Systems, der, sammen med Pawel Gruszecki, er førsteforfatter til publikationen.

I deres eksperiment, Gruszecki og Träger placerede en strimmel magnetisk materiale på en mikroskopisk antenne, hvorigennem de sendte en radiofrekvent strøm. Dette mikrobølgefelt udløste et oscillerende magnetfelt, en energikilde, der stimulerede magnonerne i strimlen - kvasipartiklerne af en spin-bølge. Magnetiske bølger migrerede ind i strimlen fra venstre og højre, spontant fortættes til et tilbagevendende mønster i rum og tid. I modsætning til trivielle stående bølger, dette mønster blev dannet før de to konvergerende bølger overhovedet kunne mødes og interferere. Mønstret, som regelmæssigt forsvinder og dukker op igen af ​​sig selv, må derfor være en kvanteeffekt.

Gisela Schütz, Direktør ved Max Planck Institute for Intelligent Systems, der leder afdelingen for moderne magnetiske systemer, påpeger det unikke ved røntgenkameraet:"Det kan ikke kun gøre bølgefronterne synlige med meget høj opløsning, hvilket er 20 gange bedre end det bedste lysmikroskop. Det kan endda gøre det med op til 40 milliarder billeder i sekundet og også med ekstrem høj følsomhed over for magnetiske fænomener."

"Vi var i stand til at vise, at sådanne rum-tids-krystaller er meget mere robuste og udbredte end først antaget, " siger Pawel Gruszecki, en videnskabsmand ved Det Fysiske Fakultet ved Adam Mickiewicz Universitetet i Poznań. "Vores krystal kondenserer ved stuetemperatur, og partikler kan interagere med det - i modsætning til i et isoleret system. Desuden, den har nået en størrelse, der kunne bruges til at gøre noget med denne magnoniske rum-tid krystal. Dette kan resultere i mange potentielle anvendelser."

Joachim Gräfe, tidligere forskningsgruppeleder i Institut for Moderne Magnetiske Systemer og sidste forfatter til publikationen, konkluderer:"Klassiske krystaller har et meget bredt anvendelsesområde. Nu, hvis krystaller ikke kun kan interagere i rummet, men også i tiden, vi tilføjer endnu en dimension af mulige anvendelser. Potentialet for kommunikation, radar- eller billedteknologi er enorm."