Zlomový bod vo fyzike. Prvýkrát v histórii sme zachytili na video osciláciu časového kryštálu

Vedcom sa podarilo nemysliteľné. Vôbec poprvýkrát v histórii dokázali zaznamenať oscilácie časového kryštálu. Na vytvorenie záznamu poslúžil mikroskop STXM (Scanning Transmission X-ray Microscope) nachádzajúci sa v zariadení BESSY II (Berlin Electron Storage Ring Society for Synchrotron Radiation) v Nemecku. O téme informoval portál ScienceAlert.

Nie je to iba výmysel zo sci-fi filmu

Časové kryštály, v niektorých prípadoch označované aj ako časopriestorové kryštály alebo STC (Space-Time Crystal), sú unikátne štruktúry, ktoré svojim spôsobom môžu pripomínať „klasické“ kryštály. Existenciu časových kryštálov predpovedal teoretický fyzik a laureát Nobelovej ceny Frank Wilczek ešte v roku 2012. Ich existencia bola potvrdená v roku 2017, kedy sa vedcom z University of Maryland a Harvardu podarilo pri ultra-nízkych teplotách vytvoriť iba nanometer veľký časový kryštál, upozornil portál Vice.

Porovnanie výsledkov experimentu a simulácií. Träger et. al. / PHYSICAL REVIEW LETTERS

V novej štúdii publikovanej v žurnále Physical Review Letters sa skupine nemeckých a poľských vedcov nielenže podarilo vytvoriť STC pri izbovej teplote, ale rovno zaznamenať priebeh oscilácií na video.

Presnejšie tím odborníkov zaznamenal oscilácie len mikrometer veľkého časového kryštálu vyrobeného z magnónu navyše pri izbovej teplote. Video bolo nasnímané prostredníctvom ultra-presného STXM mikroskopu nazývaného Maxymus, ktorý podľa spoluautorky štúdie Giseli Schütz dokáže s mimoriadne vysokou citlivosťou zaznamenávať magnetické javy. Samotné video bolo natočené rýchlosťou až 40 miliárd snímok za sekundu, upozorňuje portál TechExplorist.

Ako sme už spomínali, časové kryštály sú svojim spôsobom podobné „klasickým“ kryštálom, avšak disponujú jednou veľmi špecifickou vlastnosťou. „Klasický“ kryštál je fyzikálne a chemicky rovnorodé teleso s pravidelnou trojrozmernou štruktúrou. Časové kryštály sa, ale na rozdiel od tých klasických, periodicky opakujú nielen v priestore, ale i v čase.

Oscilácie časového kryštálu zaznamenané na video

K štúdiu časových kryštálov sa zvyčajne používajú ultra-chladné magnónovéBose-Einsteinové kondenzáty (BEC). BEC sú považované za piate skupenstvo hmoty a predstavujú kvantovo mechanické skupenstvo bozónov vyskytujúce sa pri teplotách blízkych absolútnej nule. Viac podrobných informácií o BEC, ale aj tom ako dopomohli pri objavení nového druhu supravodivosti nájdeš na tomto odkaze.

Autori štúdie však ku svojmu experimentu pristupovali úplne iným spôsobom. Fyzik Nick Träger spolu so svojim tímom vytvorili mikroskopickú anténu, na ktorú umiestnili pás magnetického materiálu nazývaného permalloy (mäkká zliatina niklu a železa obsahujúca 75 až 80 % niklu).

Následne cez anténu začali vysielať rádiofrekvenčný prúd, čím dokázali generovať oscilačné magnetické pole, ktoré bolo zdrojom energie pre stimulovanie magnónov v magnetickom páse. Pohybujúce sa magnóny potom kondenzovali do vzoru opakujúceho sa v priestore aj v čase.

Magnón je kvazičastica, respektíve koherentné vybudenie elektrónového spinu v materiáli.

Zaujímavosťou je tiež to, že na rozdiel od stojatého vlnenia (jav, kedy má vlnová funkcia v istých polohách hodnotu konštantnú v čase) sa tento vzor vytvoril skôr, ako sa dve zbiehajúce sa vlny vôbec mohli stretnúť a interferovať, čo indikuje, že ide kvantový jav.

Schéma magnetického kryštálu. Träger et. al. / PHYSICAL REVIEW LETTERS

Na videu teda môžeme vidieť akési postupne blednúce pásy, ktoré predstavujú absorpciu röntgenového žiarenia štruktúrou magnetického vlnovodu. Tmavé oblasti poukazujú na miesta, kde sa absorbovalo viac  röntgenového žiarenia, svetlé naopak na miesta kde došlo k menšej absorpcii. Konečným výsledkom je vizualizácia periodických oscilácií v priestore aj v čase.

Ako píše portál Futurism, ide o prelomový objav, keďže doteraz sme boli schopní pozorovať STC štruktúry iba pri ultra-nízkych teplotách a v štruktúrach veľkých iba niekoľko nanometrov. Vďaka tomuto novému výskumu však vieme, že časové kryštály je možné pozorovať aj vo väčších mierach, mikrometroch, a to na navyše pri izbovej teplote.

Výsledky výskumu tiež naznačujú, že časový kryštál zložený z magnónov môže interagovať s inými magnónmi, s ktorými príde do kontaktu.

Čítajte viac z kategórie: Novinky