Fizikçiler ilk kez, maddenin esrarengiz bir hali olan zaman kristali salınımlarını videoya almayı başardı. Saniyede 40 milyar kare çekebilen taramalı transmisyon X-ışını mikroskopu kullanan bilim insanları, magnondan oluşan uzay-zaman kristali salınımlarını kaydetmeyi başardı. Bilim insanları, bu gelişmeyi zaman kristalleri üzerinde bilimsel devrim olarak adlandırıyor.
“Bu türde uzay-zaman kristallerinin, ilk zamanlar düşünüldüğünden çok daha stabil ve geniş çaplı olduğunu gösterebildik,” diyor Polonya Adam Mickiewicz Üniversitesi’nden fizikçi Pawel Gruszecki.
“Bizim kristalimiz oda sıcaklığında yoğunlaştığından, parçacıklar izole bir sistemde olmayan bir şekilde etkileşime giriyor. Ayrıca, bu şekilde magnonik uzay zaman kristali şeklinde kullanılabilecek boyuta ulaşıyor. Bunun birçok potansiyel uygulaması olabilir.”
Zaman kristalleri bazen uzay-zaman kristali olarak da tanımlanıyor ve var olabilecekleri sadece birkaç yıl önce onaylandı. Bunlar normal kristallere çok benzese de ilave bir özelliğe sahipler.
Düzenli kristalleri oluşturan atomlar üç boyutlu kafes yapısında dizilir elmas veya kuartz kristali gibi maddeleri oluşturur. Bu tekrarlayan kafes yapıları konfigürasyonu farklılaştırsa da bu oluşum hareket etmez ve sadece uzaysal boşlukta tekrarlar.
Zaman kristallerinde ise atomlar biraz farklı davranır. Önce bir yönde döner, sonra diğer yönde dönerek salınım yapar. Bu salınımlar –saatin tiktakları gibi – düzenli ve özel bir frekansa kilitlenmiştir. Yani düzenli kristaller uzayda kendini tekrarlarken, zaman kristalleri uzay ve zamanda kendini tekrarlar.
Bilim insanlar,ı zaman kristalleri üzerinde çalışmak için sıklıkla ultra soğuk Bose-Einstein yoğunlaşmış magnon parçacıkları(quasiparticle) kullanıyorlar. Aslen magnonlar gerçek parçacıklar değil fakat elektron spinlerinin uyarılmış bir toplamını temsil ediyorlar aynı spin kafesinden yayılan dalgalar gibi.
Zaman Kristalleri Kolayca Manipule Edilebiliyor
Almanya’daki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü’nden Gruszecki ve meslektaşı fizik doktora öğrencisi Nick Träger liderliğindeki araştırma ekibi ise farklı bir şey denedi. Radyo frekansı yollayabilecekleri bir alaşım manyetik alaşım anten çubuğu yerleştirdi.
Akım çubuk üzerinde salınım yapan bir manyetik alan üretti ve manyetik dalgalar iki uca da doğru yol aldı. Bu dalgalar çubuk üzerindeki magnonları stimüle etti ve hareket magnonları tekrarlayan bir desen içinde yoğunlaştı.
“Biz uzay zamanda düzenli olarak toplanan magnon desenlerini aldık ve daha da çok magnon yolladık ve sonunda saçıldılar. Böylece zaman kristalinin kuazi(farazi) parçacıklarla etkileştiğini gösterdik. Bugüne kadar hiçbir deneyde bu doğrudan gösterilmemişti ki, biz videoya aldık,” diyor Träger
Videoda çubuğa doğru manyetik dalga yayılımı gösteriliyor. Bu video saniyede 40 milyar kareye kadar kayıt alabilen, Almanya’daki Helmholtz Zentrum Berlin’deki BESSY II senkrotron radyasyon tesisindeki MAXYMUS X-ışını mikroskopuyla çekildi.
Zaman kristalleri uzun süre boyunca stabil ve tutarlı olmalıdır. Çünkü, teorik açıdan en düşük muhtemel enerji halinde salınım yapmaktalar. Araştırma ekibinin çalışması gösterdi ki, magnonik zaman kristalleri kolayca manipüle edilebiliyor. Bu zaman kristallerinin yeniden konfigürasyonunda yeni bir yol açıyor ve birçok yeni pratik uygulama doğabilir.
“Artık kristaller sadece uzayda değil, zamanda da etkileşebileceğinden muhtemel uygulamalara yeni bir boyut daha ekleyebiliriz. İletişim, radar veya görüntüleme teknolojilerinde büyük bir potansiyel taşıyor.”
Araştırma Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
Araştırma Referansı ve İleri Okuma:
Nick Träger et al, Real-Space Observation of Magnon Interaction with Driven Space-Time Crystals, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.057201
