Une équipe de recherche germano-polonaise a réussi à créer un cristal spatio-temporel de la taille d'un micromètre composé de magnons à température ambiante. Avec l'aide du microscope à rayons X à transmission à balayage Maxymus à Bessy II au Helmholtz Zentrum Berlin, ils ont pu filmer la structure d'aimantation périodique récurrente dans un cristal. Publié dans le Lettres d'examen physique , le projet de recherche était une collaboration entre des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart, Allemagne, l'Université Adam Mickiewicz et l'Académie polonaise des sciences de Poznań en Pologne.

Ordre dans l'espace et périodicité dans le temps

Un cristal est un solide dont les atomes ou les molécules sont régulièrement disposés dans une structure particulière. Si l'on regarde l'arrangement au microscope, on découvre un atome ou une molécule toujours aux mêmes intervalles. C'est similaire avec les cristaux d'espace-temps :cependant, la structure récurrente n'existe pas seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps. Les plus petits composants sont constamment en mouvement jusqu'à ce que, après une certaine période, ils s'arrangent à nouveau dans le modèle original.

En 2012, le prix Nobel de physique Frank Wilczek a découvert la symétrie de la matière dans le temps. Il est considéré comme le découvreur de ces soi-disant cristaux du temps, bien qu'en tant que théoricien, il ne les ait prédits qu'hypothétiquement. Depuis, plusieurs scientifiques ont recherché des matériaux dans lesquels le phénomène est observé. Le fait que les cristaux d'espace-temps existent réellement a été confirmé pour la première fois en 2017. Cependant, les structures ne mesuraient que quelques nanomètres et ne se formaient qu'à des températures très froides inférieures à moins 250 degrés Celsius. Le fait que les scientifiques germano-polonais aient désormais réussi à imager des cristaux espace-temps relativement grands de quelques micromètres dans une vidéo à température ambiante est donc considéré comme révolutionnaire. Mais aussi parce qu'ils ont pu montrer que leur cristal d'espace-temps, qui se compose de magnons, peut interagir avec d'autres magnons qui le rencontrent.

Une expérience exceptionnelle réussie

"Nous avons pris le motif régulièrement récurrent des magnons dans l'espace et le temps, envoyé plus de magnons, et ils ont fini par se disperser. Ainsi, nous avons pu montrer que le cristal temporel peut interagir avec d'autres quasiparticules. Personne n'a encore pu montrer cela directement dans une expérience, encore moins dans une vidéo, " dit Nick Träger, doctorant à l'Institut Max Planck des systèmes intelligents qui, avec Pawel Gruszecki, est le premier auteur de la publication.

Dans leur expérience, Gruszecki et Träger ont placé une bande de matériau magnétique sur une antenne microscopique à travers laquelle ils ont envoyé un courant radiofréquence. Ce champ micro-ondes a déclenché un champ magnétique oscillant, une source d'énergie qui stimulait les magnons de la bande, la quasi-particule d'une onde de spin. Les ondes magnétiques ont migré dans la bande de gauche et de droite, se condensant spontanément en un motif récurrent dans l'espace et le temps. Contrairement aux ondes stationnaires triviales, ce motif s'est formé avant même que les deux ondes convergentes puissent se rencontrer et interférer. Le motif, qui disparaît régulièrement et réapparaît tout seul, doit donc être un effet quantique.

Gisela Schütz, Directeur à l'Institut Max Planck des systèmes intelligents qui dirige le département Systèmes magnétiques modernes, souligne le caractère unique de la caméra à rayons X :« Non seulement elle peut rendre les fronts d'onde visibles avec une très haute résolution, ce qui est 20 fois mieux que le meilleur microscope optique. Il peut même le faire jusqu'à 40 milliards d'images par seconde et avec une sensibilité extrêmement élevée aux phénomènes magnétiques. »

"Nous avons pu montrer que de tels cristaux spatio-temporels sont beaucoup plus robustes et répandus qu'on ne le pensait au départ, " dit Pawel Gruszecki, scientifique à la Faculté de physique de l'Université Adam Mickiewicz à Poznań. "Notre cristal se condense à température ambiante et les particules peuvent interagir avec lui, contrairement à un système isolé. De plus, il a atteint une taille qui pourrait être utilisée pour faire quelque chose avec ce cristal d'espace-temps magnonique. Cela peut donner lieu à de nombreuses applications potentielles."

Joachim Gräfe, ancien chef de groupe de recherche au Département des systèmes magnétiques modernes et dernier auteur de la publication, conclut :« Les cristaux classiques ont un champ d'applications très large. si les cristaux peuvent interagir non seulement dans l'espace mais aussi dans le temps, nous ajoutons une autre dimension d'applications possibles. Le potentiel de communication, la technologie radar ou d'imagerie est énorme."