Physiker haben einen magnonischen Kristall geschaffen, der eine periodische Struktur in der Zeit hat. Dazu verwendeten sie eine ferromagnetische Permalloy-Platte, die in ein elektromagnetisches Feld gelegt wurde. Es ist der erste Zeitkristall im Mikrometerbereich, der bei Raumtemperatur hergestellt wird. Die Dynamik der Magnonen darin wurde mit einem Röntgenmikroskop auf Video festgehalten. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Nicht jede feste Substanz kann als Kristall bezeichnet werden; diese Strukturen haben eine charakteristische Eigenschaft - Periodizität. Das heißt, das Kristallgitter wiederholt sich über streng definierte Abstände. Diese Inhomogenität ist eine Verletzung der räumlichen Symmetrie.
Im Jahr 2012 schlug der theoretische Physiker Frank Wilczek vor, dass es Kristalle geben könnte, die die Symmetrie nicht des Raums, sondern der Zeit durchbrechen. Er stellte sie sich als Systeme vor, die in einem Gleichgewichtszustand pulsieren und periodisch in dieselbe Konfiguration zurückkehren. Die Wissenschaftler widerlegten seine Idee schnell, da in einem System im thermodynamischen Gleichgewicht keine periodischen Schwingungen von selbst entstehen können.
Später wurde jedoch bewiesen, dass Kristalle in der Zeit existieren, nur in einer etwas anderen Form. So heißen nun Systeme, die unter periodischen äußeren Einflüssen selbst mit konstanter Periode schwingen und diesen Zustand auch bei geringer Störung beibehalten.
Physiker haben bereits einen temporären Kristall basierend auf Eigenschwingungen in einem Bose-Kondensat hergestellt. In einer anderen Studie wurde das gewünschte System mit einer Reihe von Ytterbium-Atomen realisiert, die abwechselnd von zwei Lasern beleuchtet wurden. In beiden Fällen wurden die Studien im atomaren Maßstab und bei sehr niedrigen Temperaturen - etwa -250 Grad Celsius - durchgeführt.
Es ist wichtig zu beachten, dass, wenn Physiker von den Schwingungen eines Zeitkristalls sprechen, sie nicht die tatsächliche Bewegung von Atomen meinen. Wir sprechen über Veränderungen ihrer Eigenschaften: zum Beispiel räumliche Verteilung oder magnetisches Moment. Die Änderung des magnetischen Moments, das von Teilchen zu Teilchen übertragen wird, wird Magnon genannt, und die Substanzen an der Basis ferromagnetischer Filme, in denen sich Magnonen ausbreiten, werden Magnonenkristalle genannt.
Mit dem magnonischen Kristall wurde das physikalische Experiment unter der Leitung von Joachim Gräfe vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme durchgeführt. Sie waren die ersten, die bei Raumtemperatur einen relativ großen temporären Kristall von wenigen Mikrometern Größe erzeugten.
Um Spinwellen anzuregen, haben Physiker ein elektromagnetisches Feld an einen Streifen aus ferromagnetischem Permalloy angelegt, einer Legierung aus 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Eisen. Das Vorhandensein eines externen Feldes führte zur Bildung eines periodischen räumlichen Musters von Magnonen. Mit einem Röntgenmikroskop machten die Wissenschaftler Aufnahmen vom Aufbau der Magnetisierung im Kristall. Sie haben es geschafft, nicht nur ein Foto, sondern auch die erste Videoaufnahme eines temporären Kristalls zu erhalten. Ein auf der Institutswebsite veröffentlichtes Video zeigt eine Änderung der z-Komponente einer Spinwelle bei einer Anregungsfrequenz von 4, 2 Gigahertz und einem äußeren Feld mit einer magnetischen Induktion von acht Millitesla.
Das resultierende System hat alle Eigenschaften eines temporären Kristalls und zeigt die notwendigen periodischen Schwingungen, sowie Systeme mit einem Quantengas oder Bose-Einstein-Kondensat. Der Gleichgewichtsparameter darin ist der Fluss der Magnonendichte: Seine zeitliche Ableitung ist gleich Null.
Um die Eigenschaften des resultierenden Kristalls besser zu untersuchen, untersuchten Wissenschaftler die Streuung externer Magnonen daran. Es geschah auf die gleiche Weise wie bei einem gewöhnlichen Kristall. Als Ergebnis wurden ultrakurze Magnonen mit Wellenlängen von bis zu 100 Nanometern gebildet.
Die Herstellung von temporären Kristallen im Mikromaßstab ist nicht nur mit Hilfe von Magnonen möglich. Wir haben bereits über eine theoretische Studie geschrieben, die verbundene Pendel, Ladungsdichtewellen und eine Reihe wechselwirkender biologischer Zellen für die Rolle solcher Systeme vorschlägt.
