Ett tysk-polskt forskarlag har lyckats skapa en mikrometerstor rum-tid-kristall bestående av magnoner i rumstemperatur. Med hjälp av röntgenmikroskopet Maxymus vid Bessy II vid Helmholtz Zentrum Berlin, de kunde filma den återkommande periodiska magnetiseringsstrukturen i en kristall. Publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskningsprojektet var ett samarbete mellan forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, Adam Mickiewicz-universitetet och den polska vetenskapsakademin i Poznań i Polen.

Ordning i rymden och en periodicitet i tiden

En kristall är en fast substans vars atomer eller molekyler regelbundet är ordnade i en viss struktur. Om man tittar på arrangemanget med ett mikroskop, man upptäcker en atom eller en molekyl alltid med samma intervall. Det är liknande med rum-tidskristaller:dock, den återkommande strukturen existerar inte bara i rymden, men också i tiden. De minsta komponenterna är ständigt i rörelse tills, efter en viss tid, de ordnar sig igen i det ursprungliga mönstret.

Under 2012, Nobelpristagaren i fysik Frank Wilczek upptäckte materiens symmetri i tiden. Han anses vara upptäckaren av dessa så kallade tidskristaller, även om han som teoretiker förutspådde dem endast hypotetiskt. Sedan dess, flera forskare har sökt efter material där fenomenet observeras. Det faktum att rum-tidskristaller faktiskt existerar bekräftades först 2017. strukturerna var bara några nanometer stora och bildades endast vid mycket kalla temperaturer under minus 250 grader Celsius. Att de tysk-polska forskarna nu har lyckats avbilda relativt stora rum-tidskristaller på några mikrometer i en video i rumstemperatur anses därför banbrytande. Men också för att de kunde visa att deras rymd-tidskristall, som består av magnoner, kan interagera med andra magnoner som stöter på det.

Ett exceptionellt experiment lyckades

"Vi tog det regelbundet återkommande mönstret av magnoner i rum och tid, skickade in fler magnoner, och så småningom spreds de. Således, vi kunde visa att tidskristallen kan interagera med andra kvasipartiklar. Ingen har ännu kunnat visa detta direkt i ett experiment, än mindre i en video, säger Nick Träger, en doktorand vid Max Planck Institute for Intelligent Systems som, tillsammans med Pawel Gruszecki, är första författare till publikationen.

I deras experiment, Gruszecki och Träger placerade en remsa av magnetiskt material på en mikroskopisk antenn genom vilken de skickade en radiofrekvent ström. Detta mikrovågsfält utlöste ett oscillerande magnetfält, en energikälla som stimulerade magnonerna i remsan - kvasipartikeln av en spinnvåg. Magnetiska vågor migrerade in i remsan från vänster och höger, spontant kondenseras till ett återkommande mönster i rum och tid. Till skillnad från triviala stående vågor, detta mönster bildades innan de två konvergerande vågorna ens kunde mötas och störa. Mönstret, som regelbundet försvinner och dyker upp av sig själv, måste därför vara en kvanteffekt.

Gisela Schütz, Direktör på Max Planck Institute for Intelligent Systems som leder avdelningen för moderna magnetiska system, påpekar det unika med röntgenkameran:"Inte bara kan den göra vågfronterna synliga med mycket hög upplösning, vilket är 20 gånger bättre än det bästa ljusmikroskopet. Den kan till och med göra det med upp till 40 miljarder bilder per sekund och med extremt hög känslighet för magnetiska fenomen också."

"Vi kunde visa att sådana rum-tidskristaller är mycket mer robusta och utbredda än man först trodde, "säger Pawel Gruszecki, en vetenskapsman vid fakulteten för fysik vid Adam Mickiewicz-universitetet i Poznań. "Vår kristall kondenserar vid rumstemperatur och partiklar kan interagera med den - till skillnad från i ett isolerat system. Dessutom, den har nått en storlek som skulle kunna användas för att göra något med denna magnoniska rum-tidskristall. Detta kan resultera i många potentiella tillämpningar."

Joachim Gräfe, tidigare forskargruppsledare vid institutionen för moderna magnetiska system och sista författare till publikationen, avslutar:"Klassiska kristaller har ett mycket brett användningsområde. Nu, om kristaller kan interagera inte bara i rymden utan också i tiden, vi lägger till ytterligare en dimension av möjliga tillämpningar. Potentialen för kommunikation, radar eller bildteknik är enorm."