Временной кристалл впервые создали при комнатной температуре и в микромасштабе

Физики создали магнонный кристалл, обладающий периодической структурой во времени. Для этого они использовали пластинку из ферромагнитного пермаллоя, помещенную в электромагнитное поле. Это первый временной кристалл микрометрового масштаба, созданный при комнатной температуре. Динамику магнонов в нем удалось заснять на видео с помощью рентгеновского микроскопа. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Не любое твердое вещество можно назвать кристаллом, эти структуры обладают отличительным свойством — периодичностью. То есть решетка кристалла повторяется через строго определенные расстояния. Такая неоднородность является нарушением пространственной симметрии.

В 2012 году физик-теоретик Фрэнк Вильчек предположил, что могут существовать кристаллы, нарушающие симметрию не пространства, а времени. Он представлял себе их как системы, которые пульсируют в состоянии равновесия, периодически возвращаясь в одну и ту же конфигурацию. Ученые быстро опровергли его идею, поскольку в системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, никакие периодические колебания сами по себе возникнуть не могут.

Однако позже было доказано, что кристаллы во времени существуют, просто в несколько ином виде. Сейчас так называют системы, которые при периодическом внешнем воздействии сами колеблются с неизменным периодом, и сохраняют это состояние даже при небольших помехах.

Физики уже создали временной кристалл на основе собственных колебаний в бозе-конденсате. В другом исследовании нужную систему реализовали, использовав цепочку из атомов иттербия, поочередно освещаемых двумя лазерами. В обоих случаях исследования проводились на атомарных масштабах и при очень низких температурах — около −250 градусов Цельсия.

Важно отметить, что, говоря о колебаниях временного кристалла, физики не имеют в виду реальное перемещение атомов. Речь идет об изменениях их характеристик: например, пространственного распределения или магнитного момента. Изменение магнитного момента, передающееся от частицы к частице, называют магноном, а вещества в основе ферромагнитных пленок, в которых магноны распространяются — магнонными кристаллами.

Именно с магнонным кристаллом провели эксперимент физики под руководством Иоахима Грэфа (Joachim Gräfe) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Им впервые удалось создать относительно большой временной кристалл размером в несколько микрометров при комнатной температуре.

Для возбуждения спиновых волн физики применили электромагнитное поле к полосе из ферромагнитного пермаллоя — сплава из 80 процентов никеля и 20 процентов железа. Наличие внешнего поля привело к образованию периодического пространственного узора магнонов. С помощью рентгеновского микроскопа ученые сняли структуру намагниченности в кристалле. Им удалось получить не только фото, но и первую видеозапись временного кристалла. На видео, опубликованном на сайте института, зафиксировано изменение z-компоненты спиновой волны при частоте возбуждения 4,2 гигагерца и внешнем поле с магнитной индукцией восемь миллитесла.

Полученная система обладает всеми свойствами временного кристалла и демонстрирует необходимые периодические колебания, как и системы с квантовым газом или конденсатом Бозе-Эйнштейна. Равновесным параметром в ней является поток магнонной плотности: его производная по времени равна нулю.

Чтобы лучше исследовать свойства полученного кристалла, ученые исследовали рассеяние внешних магнонов на нем. Оно происходило так же, как на обычном кристалле. В результате образовывались ультракороткие магноны с длинами волн до 100 нанометров.

Создание временных кристаллов в микромасштабе возможно не только с помощью магнонов. Мы уже писали о теоретическом исследовании, предлагающем на роль таких систем связанные маятники, волны зарядовой плотности и совокупности взаимодействующих биологических клеток.

Екатерина Назарова