Уникальный кристалл пространства-времени состоит из магнонов (квазичастицы, соответствующие элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов) при комнатной температуре. С помощью сканирующего просвечивающего рентгеновского микроскопа Maxymus в Bessy II в Центре Гельмгольца в Берлине ученые сняли повторяющуюся периодическую структуру намагниченности в кристалле.

Кристалл — это твердое тело, атомы или молекулы которого регулярно расположены в определенной структуре. Если посмотреть на него в микроскоп, можно обнаружить атом или молекулу всегда с одинаковыми интервалами. Это похоже на кристаллы пространства-времени: в которых 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 –250°C. Тот факт, что ученые теперь преуспели в отображении относительно больших пространственно-временных кристаллов 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.

«Мы взяли регулярно повторяющуюся структуру магнонов в пространстве и времени, отправили больше магнонов, и они в конечном итоге рассеялись. Таким образом, мы смогли показать, что кристалл времени может взаимодействовать с другими квазичастицами. Никто еще не смог показать это непосредственно в эксперименте, не говоря уже о видео», – Ник Трегер, докторант Института интеллектуальных систем Макса Планка.

В своем эксперименте ученые поместили полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они пропустили радиочастотный ток. Это микроволновое поле вызвало осциллирующее магнитное поле, источник энергии, который стимулировал магноны в полосе — квазичастицу 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 сформировался 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.

Уникальность открытия еще и в использовании рентгеновской камеры, которая не только позволяет видеть фронты волн с очень высоким разрешением, которое в 20 раз лучше, чем лучший световой микроскоп. Но также может даже делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям.

«Мы смогли показать, что такие кристаллы пространства-времени гораздо более надежны и широко распространены, чем предполагалось. Наш 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, чтобы что-то сделать с этим магнонным кристаллом пространства-времени. Это может привести к множеству потенциальных применений», – Павел Грушецкий, ученый с физического факультета Университета Адама Мицкевича в Познани.

Классические кристаллы имеют очень широкую область применения. Теперь, если кристаллы могут взаимодействовать не только в пространстве, но и во времени, ученые могут добавить еще одно измерение возможных приложений. Потенциал технологий связи, радаров и изображений у такой технологии огромен.