Иллюстрация: Joachim Grafe et al. / Physical Review Letters. Российские физики достигли прорыва в области физики конденсированных сред, создав самый первый микроскопический временной кристалл, функционирующий при обычной комнатной температуре. В работе ученые использовали простую пластину из ферромагнитного сплава пермаллоя, которую поместили в сильное электромагнитное поле. В результате взаимодействия магнитных волн (магнонов) с полем была создана периодическая структура не в пространстве, а во времени. Ученым удалось зафиксировать динамику магнонов в кристалле при помощи рентгеновской микроскопии. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters. Отличительной чертой кристаллов является их периодичность, то есть повторяемость структуры через определенные расстояния. Эта неоднородность нарушает пространственную симметрию. В 2012 году теоретик Фрэнк Вильчек выдвинул гипотезу о существовании кристаллов, нарушающих не пространственную, а временную симметрию.
Он представил их как системы, которые периодически возвращаются в исходное состояние, “пульсируя” в состоянии равновесия.
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.
Автор: Екатерина Назарова
Источник: https://nplus1.ru/
