Un gruppo di ricerca tedesco-polacco è riuscito a creare un cristallo spazio-temporale di dimensioni micrometriche composto da magnon a temperatura ambiente. Con l'aiuto del microscopio a raggi X a trasmissione a scansione Maxymus a Bessy II a Helmholtz Zentrum Berlin, sono stati in grado di filmare la struttura di magnetizzazione periodica ricorrente in un cristallo. Pubblicato in Lettere di revisione fisica , il progetto di ricerca era una collaborazione tra scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, Germania, l'Università Adam Mickiewicz e l'Accademia polacca delle scienze a Poznań in Polonia.

Ordine nello spazio e periodicità nel tempo

Un cristallo è un solido i cui atomi o molecole sono regolarmente disposti in una particolare struttura. Se si guarda la disposizione al microscopio, si scopre un atomo o una molecola sempre agli stessi intervalli. È simile ai cristalli spazio-temporali:tuttavia, la struttura ricorrente esiste non solo nello spazio, ma anche nel tempo. I componenti più piccoli sono costantemente in movimento finché, dopo un certo periodo, si ridispongono nel modello originale.

Nel 2012, il premio Nobel per la fisica Frank Wilczek scoprì la simmetria della materia nel tempo. È considerato lo scopritore di questi cosiddetti cristalli del tempo, anche se come teorico li aveva predetti solo ipoteticamente. Da allora, diversi scienziati hanno cercato materiali in cui si osserva il fenomeno. Il fatto che i cristalli spazio-temporali esistano effettivamente è stato confermato per la prima volta nel 2017. Tuttavia, le strutture erano grandi solo pochi nanometri e si formavano solo a temperature molto fredde inferiori a meno 250 gradi Celsius. Il fatto che gli scienziati tedesco-polacchi siano ora riusciti a riprendere cristalli spazio-temporali relativamente grandi di pochi micrometri in un video a temperatura ambiente è quindi considerato rivoluzionario. Ma anche perché hanno potuto dimostrare che il loro cristallo spazio-temporale, che consiste di magnon, può interagire con altri magnon che lo incontrano.

Un esperimento eccezionale riuscito

"Abbiamo preso il modello regolarmente ricorrente dei magnon nello spazio e nel tempo, mandò più magnon, e alla fine si dispersero. Così, siamo stati in grado di dimostrare che il cristallo temporale può interagire con altre quasiparticelle. Nessuno è ancora stato in grado di mostrarlo direttamente in un esperimento, figuriamoci in un video, "dice Nick Trager, uno studente di dottorato al Max Planck Institute for Intelligent Systems che, insieme a Pawel Gruszecki, è il primo autore della pubblicazione.

Nel loro esperimento, Gruszecki e Träger hanno posizionato una striscia di materiale magnetico su un'antenna microscopica attraverso la quale hanno inviato una corrente a radiofrequenza. Questo campo a microonde ha innescato un campo magnetico oscillante, una fonte di energia che stimolava i magnon nella striscia, la quasiparticella di un'onda di spin. Le onde magnetiche migrarono nella striscia da sinistra e da destra, condensandosi spontaneamente in uno schema ricorrente nello spazio e nel tempo. A differenza delle banali onde stazionarie, questo modello si è formato prima che le due onde convergenti potessero incontrarsi e interferire. Il modello, che regolarmente scompare e ricompare da solo, deve quindi essere un effetto quantistico.

Gisela Schütz, Direttore del Max Planck Institute for Intelligent Systems che dirige il dipartimento dei sistemi magnetici moderni, sottolinea l'unicità della telecamera a raggi X:"Non solo è in grado di rendere visibili i fronti d'onda ad altissima risoluzione, che è 20 volte migliore del miglior microscopio ottico. Può anche farlo fino a 40 miliardi di fotogrammi al secondo e con una sensibilità estremamente elevata anche ai fenomeni magnetici".

"Siamo stati in grado di dimostrare che tali cristalli spazio-temporali sono molto più robusti e diffusi di quanto si pensasse inizialmente, "dice Pawel Gruszecki, uno scienziato presso la Facoltà di Fisica dell'Università Adam Mickiewicz di Poznań. "Il nostro cristallo si condensa a temperatura ambiente e le particelle possono interagire con esso, a differenza di un sistema isolato. Inoltre, ha raggiunto una dimensione che potrebbe essere utilizzata per fare qualcosa con questo cristallo spazio-temporale magnonico. Ciò può comportare molte potenziali applicazioni".

Joachim Grafe, ex capogruppo di ricerca presso il Dipartimento di Sistemi Magnetici Moderni e ultimo autore della pubblicazione, conclude:"I cristalli classici hanno un campo di applicazioni molto ampio. Ora, se i cristalli possono interagire non solo nello spazio ma anche nel tempo, aggiungiamo un'altra dimensione di possibili applicazioni. Il potenziale di comunicazione, la tecnologia radar o di imaging è enorme".