Polacy i Niemcy jako pierwsi nagrali kryształy czasoprzestrzenne

Teraz po kolei będziemy rozszyfrowywać tę informację, tłumacząc sens sukcesu, jakim jest wspólne dzieło naukowców z Instytutu Inteligentnych Systemów im. Maxa Plancka w Stuttgarcie oraz polskich fizyków z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu i Polskiej Akademii Nauk.

Żołnierze na defiladzie

Jak wygląda kryształ wie każdy, kto posolił zupę czy oglądał pierścionek z diamentem. Przyglądając się kryształom soli kuchennej z poziomu budowy atomowej przypominają uporządkowaną, regularną sieć. Każdy ma swoje określone miejsce i bez wyraźnego powodu go nie zmienia. Powiedzmy, że krążymy między atomami diamentu niczym operator rosyjskiej telewizji między żołnierzami defilującymi podczas parady na Placu Czerwonym. Zmieniamy swoją pozycję wraz z kierunkiem, w którym skierowana jest kamera. Obraz w telewizorze się zmienia, ale szyk maszerujących wojaków pozostaje ten sam.

Idąc z kamerą przez Plac Czerwony operator telewizji widziałby powtarzającą się sekwencję żołnierzy ustawionych zawsze w tej samej odległości od siebie. Zanim podjechałby czołgi i rakiety, taka relacja z marszu mundurowych byłaby dość nudna. Ciągle to samo, nawet jeżeli pokazywane z różnych kątów. Ta powtarzalność w fizyce nazywa się periodycznością w przestrzeni.

Struktura kryształu, czy to diamentu czy soli, zawsze pozostanie niezmiennie powtarzalna niezależnie od punktu obserwacji. Będzie też stała w czasie. Gdy spojrzymy na kryształ przez mikroskop, zamkniemy oczy na chwilę, to po ich otwarciu kryształ pozostanie taki sam. Im zimniej, tym atomy są „spokojniejsze”. W dosłownie zamrożonym układzie atomy znajdują się w tzw. stanie podstawowym, czyli mają najniższy możliwy poziom energii. Tu nie ma mowy, by struktura kryształu zmieniła się w czasie.

Kryształy w czasie

Dajcie nobliście okazję, to wszystko skomplikuje. W 2012 roku prof. Frank Wilczek doszedł do wniosku, że teoretycznie istnieć może tak nietypowy kryształ, w którym atomy będące nawet w stanie podstawowym tworzyć będą strukturę, że ów kryształ będzie się zmieniać okresowo w czasie. Wilczek tworząc swoją teorię myślał nad pierścieniem utworzonym z cząsteczek. Swego czasu zbliżonej analogii użył w serwisie Crazy Nauka dr Michał Krupiński z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Zaproponował, by na taki kryształ czasowy patrzeć jak na dziecięcą karuzelę dla 4 osób.

W znanej z placów zabaw atrakcji krzesełka niczym atomy są równo oddalone od siebie. Ich układ dla obserwatora z boku zawsze jest taki sam, pozostając trwały w czasie jak kryształ w stanie podstawowym. Gdy jednak zakręcić karuzelą-kryształem, otrzymujemy coś nowego. Choć względem siebie krzesełka cały czas pozostają w tym samym ułożeniu, obserwujący je z boku widzi zmieniające się układy. Zmiana ta jest powtarzalna i obserwator w regularnych odstępach czasu ogląda wracające na chwilę pierwotne ułożenie krzesełek. Kryształ czasowy jest właśnie takim układem periodycznym w czasie i przestrzeni. Jest to też nowy stan skupienia.

Era magnoniki

Sam fakt, że kryształy czasu w ogóle istnieją został potwierdzony dopiero w 2017 roku. Od tamtej pory nauczono wytwarzać struktury o rozmiarach kilku nanometrów, choć jedynie przy minus 250 stopniach Celsjusza. Dlatego tak przełomowe jest, że Polacy i Niemcy zdołali stworzyć kryształ już w mikrometrowej skali, a do tego zarejestrować jego oscylację w temperaturze pokojowej. Ale sukcesem jest jeszcze jedno: zademonstrowali, że ich zbudowany z magnonów kryształ czasowy może wchodzi w reakcję z innymi napotkanymi magnonami. Czym są owe magnony?

By nie wpaść w króliczą dziurę coraz to trudniejszych definicji należy tylko powiedzieć, że magnony są typem kwazicząsteczek. Czemu służą i co mają wspólnego z kryształami czasowymi można dowiedzieć się m.in. od zajmujących się kontrolą przepływu fal magnetycznych naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN. W listopadzie 2019 roku dokonali oni ciekawego odkrycia zbliżającego świat do końca ery elektroniki i zbliżyli do epoki magnoniki. Chodzi właśnie o nauczenie się kontroli przepływu fal magnetycznych przez czasoprzestrzenne kryształy magnoniczne.

Jeżeli elektronika to przetwarzanie informacji za pomocą ładunków elektrycznych, elektronów przepływających przez układ, to typowana na jej następczynię spintronika, również korzystająca ze strumieni elektronów, zwraca już uwagę nie na ich ładunek elektryczny, lecz na spin (właściwości magnetyczne). Na tle obu tych dziedzin magnonika wyróżnia się w sposób zasadniczy. W urządzeniach magnonicznych nie ma żadnych zorganizowanych przepływów nośników. Tym, co przepływa przez układ, są bowiem fale magnetyczne – czytamy w towarzyszącej tamtemu odkryciu informacji prasowej.

Meksykańska fala

Do opisu budowy „zwykłego” kryształu użyłem analogii wojskowej defilady z poruszającymi się w zwartym szyku żołnierzami. Naukowcy PAN w swojej analogii sięgnęli do świata sportu. Chodzi o kibiców na stadionie. Gdy ów stadion zapełnia się lub opróżnia, w jego obrębie płyną strumienie ludzi.

- Gdyby działała tu elektronika, zwracałaby uwagę na liczbę ludzi wchodzących lub wychodzących ze stadionu. Spintronika także przyglądałaby się przepływom ludzi, ale interesowałyby ją ruchy osób o włosach ciemnych bądź jasnych. W tej analogii magnonika zajmowałaby się przepływem... meksykańskich fal. Takie fale potrafią okrążyć cały stadion mimo faktu, że żaden kibic nie oddala się od swojego fotela – tłumaczą fizycy PAN z Krakowa.

Swoje kryształy magnoniczne wytwarzali poprzez naniesienie nanocząstek z polistyrenu na niemagnetyczne podłoże (np. krzem). Kulki samoczynnie się porządkują, przy czym w zależności od warunków mogą to robić w różny sposób. Podłoże pokryte uporządkowanymi kulkami zostaje następnie poddane w komorze próżniowej działaniu plazmy, co pozwala w kontrolowany sposób zmniejszać średnicę kulek.

Na tak przygotowaną próbkę nanosi się cienkie warstwy odpowiednich metali, jedna po drugiej. Po naniesieniu wszystkich warstw materiał przemywa się rozpuszczalnikami organicznymi w celu usunięcia kulek. Efektem końcowym jest periodyczna struktura przypominająca mniej lub bardziej gęste sito, trwale przyklejone do krzemowego podłoża. W Krakowie stworzono układy z 20 naprzemiennie ułożonych warstw kobaltu i palladu o grubości zaledwie 12 nanometrów, czyli mniej więcej 120 atomów.

Rewolucja w telekomunikacji

Podstawowym przedmiotem badań magnoniki są tzw. fale spinowe, czyli zaburzenia namagnesowania w materiałach magnetycznych w postaci fal. Mają one mikrofalowe częstotliwości, czyli takiej, z której korzystamy w nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej (Wi-Fi, 5G etc.). Takie fale spinowe są niezwykle praktyczne, bo umożliwiają transport informacji bez wytwarzającego ciepło ładunku elektrycznego.

Jak tłumaczy dr Justyna Rychły z Wydziału Fizyki UAM, „potencjalnie układy magnoniczne, wykorzystujące fale spinowe, mogą stać się nową, znacznie bardziej energooszczędną i zminiaturyzowaną klasą układów do przetwarzania informacji, wykorzystywaną np. w smartfonach”. Miniaturowa elektronika, która się nie przegrzewa? Czemu nie.

Magnonika dopiero raczkuje, jeszcze w 2019 roku chłodzili nastroje fizycy PAN z Krakowa. Według nich, „droga do złożonych procesorów: mniejszych, szybszych, na dodatek o strukturze logicznej, którą można byłoby przeprogramowywać zależnie od potrzeb, jest daleka. Pamięci magnoniczne i nowatorskie czujniki, zdolne wykrywać niewielkie ilości substancji, wydają się bardziej realne. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za własności magnetyczne kryształów magnonicznych i sposoby przepływu fal magnetycznych przybliża nas ku tego typu urządzeniom”. I tu oni, cali na biało…

Polsko-niemiecki sukces

- Gdy w kierunku kryształu czasowego zbudowanego z magnonów posłaliśmy więcej magnonów, te ostatecznie rozbiegły się na wszystkie strony. W ten sposób byliśmy w stanie pokazać jak kryształ czasowy może wchodzić w reakcję z innymi kwazicząsteczkami. Nikt przed nami nie wykazał tego eksperymentalnie, nie mówiąc o uwiecznieniu tego na filmie – pochwalił się w informacji prasowej Nick Träger, doktoryzujący się w Instytucie Maxa Plancka współautor (obok m.in. Pawła Gruszeckiego z Wydziału Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu) publikacji na temat odkrycia w „Physical Review Letter”.

Jak czytamy, Gruszecki i Träger umieścili materiał magnetyczny na mikroskopowej wielkości antenie, przez którą puścili prąd elektryczny o określonej częstotliwości radiowej. W ten sposób wzbudzili oscylujące pole magnetyczne, źródło energii pobudzające do działania magnony na pokrywającym antenę pasku. Magnetyczne fale przeszły po nim z prawa do lewa, spontanicznie tworząc periodyczny wzór w czasie i przestrzeni.

- W przeciwieństwie do fal stojących, ten wzór uformował się zanim dwie zbiegające się fale mogły spotkać się i ingerować jedna na drugą. Periodycznie znikający i powracający wzór musiał zatem być efektem kwantowym – przekonują autorzy odkrycia. Według Pawła Gruszeckiego, działający razem naukowcy z Polski i Niemiec byli w stanie zademonstrować, że „takie kryształy czasowe są bardziej trwałe i powszechniejsze, niż sądzono”.

– Nasz kryształ może istnieć w pokojowej temperaturze i inne cząsteczki mogą wchodzić z nim w reakcję. Tego nie ma w systemach izolowanych. Ponadto, osiągnęliśmy rozmiar, przy którym możemy coś z tym magnonicznym kryształem czasowym zrobić. Będzie go można zastosować do różnych celów – przekonuje polski fizyk.