Primera grabación en vídeo del mundo de un cristal espacio-temporal

Un equipo de investigación germano-polaco ha conseguido crear un cristal espacio-temporal de tamaño micrométrico formado por magnones a temperatura ambiente. Con la ayuda del microscopio de rayos X de transmisión de barrido MAXYMUS en Bessy II, en el Helmholtz Zentrum de Berlín, pudieron filmar la estructura de magnetización periódica recurrente en un cristal. Publicado en la revista Physical Review Letters, el proyecto de investigación fue una colaboración entre científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) de Stuttgart (Alemania), la Universidad Adam Mickiewicz y la Academia Polaca de Ciencias de Poznań (Polonia).

Orden en el espacio y periodicidad en el tiempo

Un cristal es un sólido cuyos átomos o moléculas están dispuestos regularmente en una estructura determinada. Si se observa la disposición con un microscopio, se descubre un átomo o una molécula siempre en los mismos intervalos. Lo mismo ocurre con los cristales espacio-temporales: sin embargo, la estructura recurrente no sólo existe en el espacio, sino también en el tiempo. Los componentes más pequeños están en constante movimiento hasta que, después de un cierto período, se organizan de nuevo en el patrón original.

En 2012, el Premio Nobel de Física Frank Wilczek descubrió la simetría de la materia en el tiempo. Se le considera el descubridor de estos llamados cristales de tiempo, aunque como teórico los predijo solo hipotéticamente. Desde entonces, varios científicos han buscado materiales en los que se observe el fenómeno. El hecho de que los cristales espacio-temporales existen realmente se confirmó por primera vez en 2017. Sin embargo, las estructuras solo tenían un tamaño de unos pocos nanómetros y se formaban solo a temperaturas muy frías, por debajo de -250 grados Celsius. Por ello, el hecho de que los científicos germano-polacos hayan conseguido ahora visualizar cristales espacio-temporales relativamente grandes de unos pocos micrómetros en un vídeo a temperatura ambiente se considera innovador. Pero también porque han podido demostrar que su cristal espacio-temporal, formado por magnones, puede interactuar con otros magnones que se encuentren con él.

Un experimento excepcional tuvo éxito

"Tomamos el patrón de magnones que se repite regularmente en el espacio-tiempo, enviamos más magnones y finalmente se dispersaron. Así, pudimos demostrar que el cristal del tiempo puede interactuar con otras cuasipartículas. Nadie ha podido demostrarlo directamente en un experimento, y menos aún en un vídeo", afirma Nick Träger, estudiante de doctorado del MPI-IS que, junto con Pawel Gruszecki, es el primer autor de la publicación.

En su experimento, Gruszecki y Träger colocaron una tira de material magnético en una antena microscópica a través de la cual enviaron una corriente de radiofrecuencia. Este campo de microondas desencadenó un campo magnético oscilante, una fuente de energía que estimuló los magnones de la tira, la cuasipartícula de una onda de espín. Las ondas magnéticas migraron hacia la tira desde la izquierda y la derecha, condensándose espontáneamente en un patrón recurrente en el espacio y el tiempo. A diferencia de las ondas estacionarias triviales, este patrón se formó antes de que las dos ondas convergentes pudieran incluso encontrarse e interferir. El patrón, que desaparece y reaparece regularmente por sí solo, debe ser por tanto un efecto cuántico.

Gisela Schütz, directora del MPI-IS y responsable del Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos, señala la singularidad de la cámara de rayos X: "No sólo puede hacer visibles los frentes de onda con una resolución muy alta, que es 20 veces mejor que el mejor microscopio de luz. Incluso puede hacerlo con hasta 40.000 millones de fotogramas por segundo y con una sensibilidad extremadamente alta a los fenómenos magnéticos también".

"Hemos podido demostrar que este tipo de cristales espacio-temporales son mucho más robustos y están más extendidos de lo que se pensaba", afirma Pawel Gruszecki, científico de la Facultad de Física de la Universidad Adam Mickiewicz de Poznań. "Nuestro cristal se condensa a temperatura ambiente y las partículas pueden interactuar con él, al contrario que en un sistema aislado. Además, ha alcanzado un tamaño que podría utilizarse para hacer algo con este cristal magnónico espacio-temporal. Esto puede dar lugar a muchas aplicaciones potenciales".

Joachim Gräfe, antiguo jefe de grupo de investigación en el Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos del MPI-IS y último autor de la publicación, coincide con sus colegas y concluye: "Los cristales clásicos tienen un campo de aplicación muy amplio. Ahora, si los cristales pueden interactuar no sólo en el espacio sino también en el tiempo, añadimos otra dimensión de posibles aplicaciones. El potencial para la tecnología de comunicación, radar o imagen es enorme".