Un equipo de investigación germano-polaco ha logrado crear un cristal de espacio-tiempo del tamaño de un micrómetro que consta de magnones a temperatura ambiente. Con la ayuda del microscopio de rayos X de transmisión de barrido Maxymus en Bessy II en Helmholtz Zentrum Berlin, pudieron filmar la estructura de magnetización periódica recurrente en un cristal. Publicado en el Cartas de revisión física , el proyecto de investigación fue una colaboración entre científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania, la Universidad Adam Mickiewicz y la Academia Polaca de Ciencias en Poznań en Polonia.

Orden en el espacio y una periodicidad en el tiempo

Un cristal es un sólido cuyos átomos o moléculas están dispuestos regularmente en una estructura particular. Si uno mira el arreglo con un microscopio, se descubre un átomo o una molécula siempre a los mismos intervalos. Es similar con los cristales del espacio-tiempo:sin embargo, la estructura recurrente existe no solo en el espacio, pero también en el tiempo. Los componentes más pequeños están en constante movimiento hasta que, después de un cierto período, se arreglan de nuevo en el patrón original.

En 2012, el premio Nobel de física Frank Wilczek descubrió la simetría de la materia en el tiempo. Se le considera el descubridor de estos llamados cristales del tiempo, aunque como teórico los predijo sólo hipotéticamente. Desde entonces, varios científicos han buscado materiales en los que se observe el fenómeno. El hecho de que los cristales del espacio-tiempo realmente existan se confirmó por primera vez en 2017. Sin embargo, las estructuras tenían solo unos pocos nanómetros de tamaño y se formaron solo a temperaturas muy frías por debajo de menos 250 grados Celsius. Por lo tanto, el hecho de que los científicos germano-polacos hayan logrado obtener imágenes de cristales de espacio-tiempo relativamente grandes de unos pocos micrómetros en un video a temperatura ambiente se considera revolucionario. Pero también porque pudieron demostrar que su cristal de espacio-tiempo, que consta de magnones, puede interactuar con otros magnones que lo encuentren.

Un experimento excepcional tuvo éxito

"Tomamos el patrón recurrente de magnones en el espacio y el tiempo, envió más magnones, y finalmente se dispersaron. Por lo tanto, pudimos demostrar que el cristal de tiempo puede interactuar con otras cuasipartículas. Nadie ha podido mostrar esto directamente en un experimento. mucho menos en un video, "dice Nick Träger, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes que, junto con Pawel Gruszecki, es el primer autor de la publicación.

En su experimento, Gruszecki y Träger colocaron una tira de material magnético en una antena microscópica a través de la cual enviaron una corriente de radiofrecuencia. Este campo de microondas desencadenó un campo magnético oscilante, una fuente de energía que estimulaba los magnones de la tira:la cuasipartícula de una onda de giro. Las ondas magnéticas migraron a la tira de izquierda a derecha, condensándose espontáneamente en un patrón recurrente en el espacio y el tiempo. A diferencia de las ondas estacionarias triviales, este patrón se formó antes de que las dos ondas convergentes pudieran siquiera encontrarse e interferir. El patrón, que desaparece y reaparece regularmente por sí solo, por tanto, debe ser un efecto cuántico.

Gisela Schütz, Director del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes que dirige el Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos, señala la singularidad de la cámara de rayos X:"No solo puede hacer visibles los frentes de onda con una resolución muy alta, que es 20 veces mejor que el mejor microscopio óptico. Incluso puede hacerlo a una velocidad de hasta 40 mil millones de fotogramas por segundo y también con una sensibilidad extremadamente alta a los fenómenos magnéticos ".

"Pudimos demostrar que tales cristales de espacio-tiempo son mucho más robustos y extendidos de lo que se pensaba, "dice Pawel Gruszecki, científico de la Facultad de Física de la Universidad Adam Mickiewicz de Poznań. "Nuestro cristal se condensa a temperatura ambiente y las partículas pueden interactuar con él, a diferencia de un sistema aislado. Además, ha alcanzado un tamaño que podría usarse para hacer algo con este cristal magnónico de espacio-tiempo. Esto puede resultar en muchas aplicaciones potenciales ".

Joachim Gräfe, ex líder del grupo de investigación en el Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos y último autor de la publicación, concluye:"Los cristales clásicos tienen un campo de aplicaciones muy amplio. Ahora, si los cristales pueden interactuar no solo en el espacio sino también en el tiempo, agregamos otra dimensión de posibles aplicaciones. El potencial de comunicación, la tecnología de radar o de imágenes es enorme ".