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Primera filmación en vídeo de un cristal de espacio-tiempo

Un equipo de investigación germano-polaco ha logrado crear un cristal espacio-tiempo del tamaño de un micrómetro que consta de magnones a temperatura ambiente.

Con la ayuda del microscopio de rayos X de transmisión de barrido Maxymus en Bessy II en Helmholtz Zentrum Berlin, pudieron filmar la estructura de magnetización periódica recurrente en un cristal. El resultado está disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=kUY3TglEUCU&feature=emb_titl…

Publicado en Physical Review Letters, el proyecto de investigación fue una colaboración entre científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania, la Universidad Adam Mickiewicz y la Academia Polaca de Ciencias en Poznan en Polonia.

Un cristal es un sólido cuyos átomos o moléculas están dispuestos regularmente en una estructura particular. Si se mira la disposición con un microscopio, se descubre un átomo o una molécula siempre en los mismos intervalos. Es similar con los cristales del espacio-tiempo: sin embargo, la estructura recurrente existe no solo en el espacio, sino también en el tiempo. Los componentes más pequeños están en constante movimiento hasta que, después de un cierto período, vuelven a organizarse 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 del 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 del espacio-tiempo realmente existan se confirmó por primera vez en 2017. Sin embargo, las estructuras tenían solo unos pocos nanómetros de tamaño y se formaron solo a temperaturas muy frías por debajo de menos 250 grados Celsius. El hecho de que los científicos germano-polacos hayan logrado obtener imágenes de cristales de espacio-tiempo relativamente grandes de unos pocos micrómetros en un video a temperatura ambiente se considera, por lo tanto, innovador. Pero también porque pudieron demostrar que su cristal de espacio-tiempo, que consta de magnones, puede interactuar con otros magnones que lo encuentren.

«Tomamos el patrón que se repite regularmente de magnones en el espacio y el tiempo, enviamos más magnones y finalmente se dispersaron. Por lo tanto, pudimos demostrar que el cristal de tiempo puede interactuar con otras cuasipartículas. Nadie ha podido mostrar esto todavía directamente en un experimento, y mucho menos en un video», dice Nick Träger, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes 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 en la tira, la cuasipartícula de una onda de giro. Las ondas magnéticas migraron hacia la franja de izquierda a 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 siquiera encontrarse e interferir. El patrón, que desaparece regularmente y reaparece por sí solo, debe ser, por tanto, un efecto cuántico.

Gisela Schütz, directora del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y que dirige el Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos, señala la singularidad de la cámara de rayos X: «No solo puede hacer visibles los frentes de onda con una resolución muy alta, que es 20 veces mejor que el mejor microscopio óptico. Incluso puede hacerlo a una velocidad de hasta 40.000 millones de fotogramas por segundo y también con una sensibilidad extremadamente alta a los fenómenos magnéticos».

«Pudimos demostrar que tales cristales de espacio-tiempo son mucho más robustos y extendidos de lo que se pensaba», dice Pawel Gruszecki, científico de la Facultad de Física de la Universidad Adam Mickiewicz en Poznan. «Nuestro cristal se condensa a temperatura ambiente y las partículas pueden interactuar con él, a diferencia de un sistema aislado. Además, ha alcanzado un tamaño que podría usarse para hacer algo con este cristal magnónico de espacio-tiempo. Esto puede resultar en muchas aplicaciones potenciales».

Joachim Gräfe, exlíder del grupo de investigación en el Departamento de Sistemas Magnéticos Modernos y último autor de la publicación, concluye: «Los cristales clásicos tienen un campo de aplicaciones muy amplio. Ahora, si los cristales pueden interactuar no solo en el espacio sino también en el tiempo, se añade otra dimensión de posibles aplicaciones. El potencial de la tecnología de comunicación, radar o imágenes es enorme».