Das weltweit erste Video eines Raum-Zeit-Kristalls

Einem deutsch-polnischen Forscherteam ist es gelungen, einen Raum-Zeit-Kristall von Mikrometern aus Magnon bei Raumtemperatur herzustellen. Mit dem Röntgenmikroskop Maxymus von Bessy II im Helmholtz Zentrum Berlin konnten sie die repetitive periodische Magnetisierungsstruktur in einem Kristall filmen. Veröffentlicht in der Physische ÜbersichtsbriefeWar das Forschungsprojekt eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart, der Adam-Mickiewicz-Universität und der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Posen? in Polen.

Ordnung im Raum und eine Periodizität in der Zeit

Ein Kristall ist ein Feststoff, dessen Atome oder Moleküle regelmäßig in einer bestimmten Struktur angeordnet sind. Wenn man die Anordnung mit einem Mikroskop betrachtet, wird ein Atom oder ein Molekül immer in den gleichen Intervallen entdeckt. Es ähnelt Raum-Zeit-Kristallen: Die sich wiederholende Struktur existiert nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Die kleinsten Komponenten sind in ständiger Bewegung, bis sie nach einer bestimmten Zeit wieder in das ursprüngliche Muster übergehen.

Der Nobelpreisträger für Physik, Frank Wilczek, entdeckte 2012 die Symmetrie der Materie in der Zeit. Er gilt als Entdecker dieser sogenannten Zeitkristalle, obwohl er sie als Theoretiker nur hypothetisch vorhergesagt hat. Seitdem haben mehrere Wissenschaftler nach Materialien gesucht, in denen das Phänomen beobachtet wird. Die Tatsache, dass Raum-Zeit-Kristalle existieren, wurde erstmals 2017 bestätigt. Die Strukturen waren jedoch nur wenige Nanometer groß und bildeten sich nur bei sehr kalten Temperaturen unter minus 250 Grad Celsius. Die Tatsache, dass es den deutsch-polnischen Wissenschaftlern nun gelingt, relativ große Raum-Zeit-Kristalle von wenigen Mikrometern in einem Video bei Raumtemperatur darzustellen, gilt daher als bahnbrechend. Aber auch, weil sie zeigen konnten, dass ihr Raum-Zeit-Kristall, der aus Magnonen besteht, mit anderen Magnonen interagieren kann, denen er begegnet.

Ein außergewöhnliches Experiment war erfolgreich

“Wir haben das sich häufig wiederholende Muster von Magnonen in Raum und Zeit aufgenommen, mehr Magnonen eingeschickt und schließlich verteilt. So konnten wir zeigen, dass der Zeitkristall mit anderen Pinselpartikeln kommunizieren kann. Niemand konnte es direkt in einem Experiment zeigen allein Immer noch in einem Video “, sagt Nick Träger, Doktorand am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, der die Publikation gemeinsam mit Pawel Gruszecki verfasst hat.

In ihrem Experiment platzierten Gruszecki und Träger einen Streifen magnetischen Materials auf einer mikroskopischen Antenne, durch die sie einen Hochfrequenzstrom sendeten. Dieses Mikrowellenfeld verursachte ein oszillierendes Magnetfeld, eine Energiequelle, die das Magnon im Streifen stimulierte – das Bürstenteilchen einer rotierenden Welle. Magnetische Wellen wandern im Streifen von links und rechts und kondensieren spontan in einem sich wiederholenden Muster in Raum und Zeit. Im Gegensatz zu trivialen stehenden Wellen wurde dieses Muster gebildet, bevor sich die beiden Wellen überhaupt treffen und interferieren konnten. Das Muster, das oft von selbst verschwindet und wieder auftaucht, muss daher ein Quanteneffekt sein.

Gisela Schütz, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, Leiterin des Geschäftsbereichs Moderne magnetische Systeme, weist auf die Einzigartigkeit der Röntgenkamera hin: “Sie kann die Wellenfronten nicht nur mit einer sehr hohen Auflösung sichtbar machen.” 20-mal besser als das beste Lichtmikroskop. Es kann sogar mit bis zu 40 Milliarden Bildern pro Sekunde und einer extrem hohen Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Phänomenen arbeiten. “

“Wir konnten zeigen, dass solche Raum-Zeit-Kristalle viel robuster und weit verbreiteter sind als zunächst angenommen”, sagt Pawel Gruszecki, Wissenschaftler an der Fakultät für Physik der Adam-Mickiewicz-Universität in Posen. “Unser Kristall kondensiert bei Raumtemperatur und Partikel können mit ihm interagieren – anders als in einem isolierten System. Außerdem hat er eine Größe erreicht, mit der alles mit diesem magnetischen Raum-Zeit-Kristall gemacht werden kann. Dies kann zu vielen möglichen Anwendungen führen . “

Joachim Gräfe, ehemaliger Forschungsgruppenleiter in der Abteilung für moderne magnetische Systeme und letzter Autor der Veröffentlichung, fasst zusammen: “Klassische Kristalle haben ein sehr breites Anwendungsfeld. Wenn Kristalle jetzt nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit kommunizieren können, sind wir kann eine Dimension potenzieller Anwendungen hinzufügen. Das Potenzial für Kommunikations-, Radar- oder Bildtechnologie ist groß. “

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Originalveröffentlichung

Nick Porter, Pawe? Gruszecki, Filip Lisiecki, Felix Groß, Johannes Förster, Markus Weigand, Hubert G? Owi? Ski, Piotr Ku? Wik, Janusz Dubowik, Gisela Schütz, Maciej Krawczyk und Joachim Gräfe

Realraumbeobachtung der Wechselwirkung zwischen Magnonen und angetriebenen Raum-Zeit-Kristallen

Fis. Ds Lett. 126, 057201 – veröffentlicht am 3. Februar 2021

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