Een Duits-Pools onderzoeksteam is erin geslaagd om bij kamertemperatuur een ruimte-tijdkristal te creëren ter grootte van een micrometer, bestaande uit magnonen. Met behulp van de scanning transmissie-röntgenmicroscoop Maxymus bij Bessy II in Helmholtz Zentrum Berlin, ze waren in staat om de terugkerende periodieke magnetisatiestructuur in een kristal te filmen. Gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven , het onderzoeksproject was een samenwerking tussen wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, Duitsland, de Adam Mickiewicz Universiteit en de Poolse Academie van Wetenschappen in Poznań in Polen.

Orde in ruimte en een periodiciteit in tijd

Een kristal is een vaste stof waarvan de atomen of moleculen regelmatig in een bepaalde structuur zijn gerangschikt. Als men met een microscoop naar de opstelling kijkt, men ontdekt een atoom of een molecuul altijd met dezelfde tussenpozen. Het is vergelijkbaar met ruimte-tijdkristallen:echter, de terugkerende structuur bestaat niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd. De kleinste componenten zijn constant in beweging totdat, na een bepaalde periode, ze schikken weer in het oorspronkelijke patroon.

In 2012, de Nobelprijswinnaar in de natuurkunde Frank Wilczek ontdekte de symmetrie van materie in de tijd. Hij wordt beschouwd als de ontdekker van deze zogenaamde tijdkristallen, hoewel hij ze als theoreticus slechts hypothetisch voorspelde. Vanaf dat moment, verschillende wetenschappers hebben gezocht naar materialen waarin het fenomeen wordt waargenomen. Het feit dat ruimte-tijdkristallen echt bestaan, werd voor het eerst bevestigd in 2017. de structuren waren slechts enkele nanometers groot en ontstonden pas bij zeer koude temperaturen onder de min 250 graden Celsius. Dat de Duits-Poolse wetenschappers er nu in zijn geslaagd om relatief grote ruimte-tijdkristallen van enkele micrometers in een video op kamertemperatuur in beeld te brengen, wordt dan ook als baanbrekend beschouwd. Maar ook omdat ze konden aantonen dat hun ruimtetijdkristal, die bestaat uit magnonen, kan interageren met andere magnons die het tegenkomen.

Een uitzonderlijk experiment geslaagd

"We namen het regelmatig terugkerende patroon van magnonen in ruimte en tijd, stuurde meer magnons, en uiteindelijk verspreidden ze zich. Dus, we konden aantonen dat het tijdkristal kan interageren met andere quasideeltjes. Niemand heeft dit tot nu toe direct in een experiment kunnen aantonen, laat staan ​​in een video, " zegt Nick Trager, een doctoraatsstudent aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen die, samen met Pawel Gruszecki, is eerste auteur van de publicatie.

In hun experiment hebben Gruszecki en Träger plaatsten een strook magnetisch materiaal op een microscopische antenne waar ze een radiofrequentiestroom doorheen stuurden. Dit microgolfveld veroorzaakte een oscillerend magnetisch veld, een energiebron die de magnonen in de strip stimuleerde - het quasi-deeltje van een spingolf. Magnetische golven migreerden van links en rechts in de strip, zich spontaan verdichten tot een terugkerend patroon in ruimte en tijd. In tegenstelling tot triviale staande golven, dit patroon werd gevormd voordat de twee convergerende golven elkaar zelfs konden ontmoeten en interfereren. Het patroon, die regelmatig verdwijnt en vanzelf weer verschijnt, moet daarom een ​​kwantumeffect zijn.

Gisela Schütz, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, hoofd van de afdeling Moderne Magnetische Systemen, wijst op het unieke karakter van de röntgencamera:"Het kan niet alleen de golffronten zichtbaar maken met een zeer hoge resolutie, wat 20 keer beter is dan de beste lichtmicroscoop. Het kan zelfs tot 40 miljard frames per seconde en met een extreem hoge gevoeligheid voor magnetische verschijnselen."

"We waren in staat om aan te tonen dat dergelijke ruimte-tijdkristallen veel robuuster en wijdverspreider zijn dan eerst werd gedacht, " zegt Pawel Gruszecki, een wetenschapper aan de Faculteit der Natuurkunde van de Adam Mickiewicz Universiteit in Poznań. "Ons kristal condenseert bij kamertemperatuur en deeltjes kunnen ermee interageren - in tegenstelling tot in een geïsoleerd systeem. Bovendien, het heeft een grootte bereikt die kan worden gebruikt om iets te doen met dit magnonische ruimte-tijdkristal. Dit kan leiden tot veel potentiële toepassingen."

Joachim Grafe, voormalig leider van de onderzoeksgroep bij de afdeling Moderne Magnetische Systemen en laatste auteur van de publicatie, concludeert:"Klassieke kristallen hebben een zeer breed toepassingsgebied. Nu, als kristallen niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd kunnen interageren, we voegen een andere dimensie van mogelijke toepassingen toe. Het potentieel voor communicatie, radar- of beeldtechnologie is enorm."