Фізики вперше зняли на відео часовий кристал — такий стан матерії, що періодично змінюється в просторі й часі. Візуалізація стала можливою, оскільки ці часові кристали, на відміну від своїх попередників, були завбільшки кілька мікрометрів і «тікали» за кімнатної температури. Такі макроскопічні часові кристали в майбутньому можуть відкрити нові шляхи застосування і досліджень, пояснюють учені.
Знімок з відео магнетичного просторово-часового кристала. Зображення: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.
Зазвичай кристалам властива правильна симетрична структура основних структурних елементів. Проте є кристали, що творять таку симетрію і в часі — вони регулярно змінюють свою структуру. Такі часові кристали науковці продукують, зокрема, з іонів ітербію з перевернутим спіном, але також і з повсякденного кристала, збудженого радіоімпульсами. Науковці вже помічали взаємозв’язок двох часових кристалів.
Ці часові кристали мають дещо спільне: їхнє «тікання» відбувається за температури, близької до абсолютного нуля, а їхня структура формується в діапазоні кількох нанометрів.
Але зараз вдалося дещо нове: вперше науковці створили часовий кристал, що «тікає» за кімнатної температури і є завбільшки кілька мікрометрів. Це дало змогу зафільмувати кристал у дії і представити світову прем’єру.
Для свого експерименту Нік Треґер (Nick Träger) з Інституту імені Макса Планка розумних систем в Штутгарті та його колеги використали пласку мідну антену, на якій помістили смуги магнітного залізо-нікелевого сплаву (Fe20Ni80): одна була завширшки 30 нанометрів, інша — 11 мікрометрів.
На цій структурі вчені створили високочастотне мікрохвильове поле, які зі свого боку продукувало осциляційне магнітне поле. Це призвело до того, що в смугах сплаву виникли магнони — наділені ознаками квазічастинок колективні магнітні збуджені стани квантовомеханічної системи. Важливо, що ці магнони конденсувалися спонтанно і смугоподібно, творячи повторювані зразки в просторі і часі — так часовий кристал почав «тікати».
Часові кристали формують впорядковану схему через періодичні часові інтервали. Зображення: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.
Цей часовий кристал та його періодично повторюваний стан Треґер і його команда записали на рухомому зображенню. Це вдалося за допомогою відображальної рентгенівської мікроскопії на синхротроні BESSY II в Берлінському центрі імені Гельмгольца. Він просканував кристал високофокусованим рентгенівським випромінюванням і в такий спосіб зміг відобразити періодичну структуру магнетизації.
Так вдалося зробити перше в світі відео прострово-часового кристала за кімнатної температури. На ньому чітко видно, як магнони в рівномірному ритмі впорядковуються у смугу, що потім розчиняється. В експерименті фізики також довели: цей магнонічний часовий кристал може взаємодіяти й з іншими магнонами. «Досі цього не вдавалося показати безпосередньо в жодному експерименті, не кажучи вже про відео», — сказав Треґер.
На думку вчених, ця форма часових кристалів відкриває цілком нові можливості дослідження та застосування: «Ми змогли продемонструвати, що такі просторово-часові кристали значно стабільніші та поширеніші, ніж це здавалося спочатку, — сказав співавтор розвідки Павел Ґрушецкий (Pawel Gruszecki) з Університету імені Адама Міцкевича в Познані. — Крім того, він досягнув такої величини, за якої просторово-часовий кристал можна піддавати маніпуляціям. Це означає не тільки захопливі фундаментальні свідчення, а й можливості різноманітного застосування матеріалу».
Колега Треґера Йоахім Ґрефе (Joachim Gräfe) так прокоментував дослідження: «Класичний кристал має широке поле застосування. Якщо кристали зможуть взаємодіяти не лише в просторі, а й у часі, ми відкриємо ще один вимір можливого їх застосування. При цьому дуже великий потенціал застосування часових кристалів у комунікаційній техніці, радарній техніці та візуалізації».
Nadja Podbregar
Erstes Video eines Zeitkristalls
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 10. Februar 2021
Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.126.057201
Зреферувала С. К.
19.02.2021