Zeitkristalle: Forschende bestätigen eine neue Phase der Materie

Seit Monaten kursieren Gerüchte, dass Forschenden womöglich endlich sogenannte Zeitkristalle gelungen sind – ungewöhnliche Kristalle, deren atomare Ordnung sich nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit wiederholt. Das Resultat: eine dauerhafte Oszillation, und zwar ohne dass dafür Energie zugeführt werden muss.

Inzwischen ist es offiziell: Forschende haben nun detailliert beschrieben, wie sich diese eigenartigen Kristalle herstellen und wie ihre Eigenschaften experimentell gemessen werden können. Zudem berichten zwei unabhängige Teams, sie hätten anhand dieses „Bauplans“ Zeitkristalle im Labor tatsächlich erzeugt – ein starkes Indiz für die Existenz einer vollständig neuen Phase der Materie.

Auf den ersten Blick klingt das alles sehr abstrakt. Doch die Arbeit markiert einen wichtigen Schritt, weil sie die Tür zu einem Feld öffnet, das die Physik lange Zeit nur am Rand betrachtet hat: Materie, die nicht im Gleichgewicht ist. Über Jahrzehnte hinweg stand vor allem Materie im Fokus, die als „im Gleichgewicht“ definiert wird – etwa Metalle oder Isolatoren.

Gleichzeitig sagen Theorien schon länger voraus, dass es im Universum zahlreiche weitere, deutlich exotischere Materiezustände gibt, die nicht im Gleichgewicht sind und die bislang kaum untersucht wurden – darunter Zeitkristalle. Nun wissen wir: Diese Vorhersage ist nicht nur Theorie.

Dass jetzt ein erstes konkretes Beispiel für Nichtgleichgewichts-Materie vorliegt, könnte sowohl unser Verständnis physikalischer Systeme erweitern als auch neue Technologien befördern – etwa im Bereich des Quantencomputing.

„Das ist eine neue Phase der Materie, Punkt, aber es ist auch wirklich cool, weil es eines der ersten Beispiele für Nichtgleichgewichts-Materie ist“, sagte der leitende Forscher Norman Yao von der University of California, Berkeley.

„In den letzten fünfzig Jahren haben wir Gleichgewichts-Materie erforscht, wie Metalle und Isolatoren. Jetzt fangen wir gerade erst an, eine völlig neue Landschaft der Nichtgleichgewichts-Materie zu erkunden.“

Was Zeitkristalle sind – und warum das so ungewöhnlich ist

Um das einzuordnen, lohnt sich ein kurzer Schritt zurück: Die Idee der Zeitkristalle ist seit einigen Jahren in der Diskussion.

Der Nobelpreisträger und theoretische Physiker Frank Wilczek sagte Zeitkristalle bereits 2012 voraus. Dabei geht es um Strukturen, die selbst in ihrem niedrigsten Energiezustand – dem Grundzustand – so wirken, als hätten sie eine Art Bewegung.

Normalerweise gilt: Befindet sich ein Material im Grundzustand, also bei der Nullpunktsenergie eines Systems, sollte Bewegung theoretisch ausgeschlossen sein – denn jede Bewegung würde Energie erfordern.

Wilczek argumentierte jedoch, dass dies bei Zeitkristallen nicht zwingend gelten müsse.

Gewöhnliche Kristalle besitzen eine atomare Ordnung, die sich im Raum periodisch wiederholt – ähnlich wie das Kohlenstoffgitter eines Diamanten. Doch wie Rubin oder Diamant bleiben sie im Grundzustand reglos, weil sie sich im Gleichgewicht befinden.

Zeitkristalle unterscheiden sich genau an dieser Stelle: Bei ihnen wiederholt sich die Struktur in der Zeit, nicht nur im Raum – und sie schwingen weiterhin, obwohl das System im Grundzustand ist.

Anschaulich lässt sich das mit Wackelpudding vergleichen: Tippt man ihn an, wackelt er wiederholt nach. Bei Zeitkristallen passiert etwas Ähnliches – mit dem entscheidenden Unterschied, dass diese Bewegung ohne Energiezufuhr stattfindet.

Ein Zeitkristall ist damit wie Wackelpudding, der in seinem natürlichen Grundzustand ständig weiter oszilliert. Genau das macht ihn zu einer neuen Materiephase: Nichtgleichgewichts-Materie, die nicht einfach „still sitzen“ kann.

Der Zeitkristall-Bauplan von Norman Yao (Physical Review Letters)

Eine Sache ist es, Zeitkristalle theoretisch zu beschreiben – eine ganz andere, sie tatsächlich herzustellen. Genau hier setzt die neue Studie an.

Yao und sein Team haben einen detaillierten Bauplan vorgelegt, der Schritt für Schritt beschreibt, wie sich die Eigenschaften eines Zeitkristalls erzeugen und messen lassen. Darüber hinaus prognostiziert die Arbeit, welche unterschiedlichen Phasen sich in der Umgebung des Zeitkristalls einstellen sollten – gewissermassen eine Kartierung des Pendants zu festen, flüssigen und gasförmigen Phasen, nur eben für diese neue Materiephase.

Die Studie erschien in Physical Review Letters. Yao bezeichnete den Artikel als „die Brücke zwischen der theoretischen Idee und der experimentellen Umsetzung“.

Und es bleibt nicht bei der Theorie: Auf Basis dieses Bauplans haben zwei voneinander unabhängige Teams – eines von der University of Maryland und eines von Harvard – die Anleitung umgesetzt und jeweils eigene Zeitkristalle erzeugt.

Beide Ergebnisse wurden Ende des vergangenen Jahres auf der Preprint-Plattform arXiv.org (hier und hier) angekündigt und zur Veröffentlichung in peer-reviewten Fachzeitschriften eingereicht. Yao ist bei beiden Manuskripten Koautor.

Solange die Arbeiten noch nicht endgültig publiziert sind, ist Skepsis angebracht. Gleichzeitig ist es ein gutes Zeichen, dass zwei getrennte Gruppen mit demselben Bauplan Zeitkristalle in sehr unterschiedlichen physikalischen Systemen realisieren konnten.

Zwei Labor-Experimente: University of Maryland und Harvard

Das Team der University of Maryland erzeugte seinen Zeitkristall, indem es eine Art Conga-Reihe aus 10 Ytterbium-Ionen verwendete, deren Elektronenspins miteinander verschränkt waren.

Chris Monroe, University of Maryland

Der entscheidende Schritt bestand darin, dieses System gezielt aus dem Gleichgewicht herauszuhalten. Dazu beschossen die Forschenden die Ionen abwechselnd mit zwei Lasern: Ein Laser erzeugte ein Magnetfeld, der zweite Laser kippte die Spins der Atome teilweise.

Weil die Spins aller Atome verschränkt waren, stellte sich ein stabiler, sich wiederholender Ablauf des Spin-Umschlagens ein – ein periodisches Muster, das einen Kristall charakterisiert.

Damit war es jedoch noch kein Zeitkristall. Dafür musste das System eine Zeitsymmetrie brechen. Bei der Beobachtung der Ytterbium-Ionen fiel den Forschenden ein ungewöhnliches Verhalten auf.

Die beiden Laserimpulse, die die Ytterbium-Atome periodisch „anstupsten“, führten zu einer Wiederholung im System, deren Zeitraum doppelt so lang war wie die Periode dieser Stupser – etwas, das in einem gewöhnlichen System so nicht auftreten sollte.

„Wäre es nicht super seltsam, wenn du den Wackelpudding anstupst und feststellst, dass er irgendwie mit einer anderen Periode reagiert?“, sagte Yao.

„Aber genau das ist die Essenz des Zeitkristalls. Du hast einen periodischen Antrieb mit einer Periode ‚T‘, aber das System synchronisiert sich irgendwie so, dass du das System mit einer Periode beobachtest, die grösser ist als ‚T‘.“

Unter veränderten Magnetfeldern und anderer Laser-Pulsung wechselte der Zeitkristall dann seine Phase – vergleichbar damit, wie ein Eiswürfel schmilzt.

Norman Yao, UC Berkeley

Der Harvard-Zeitkristall basierte auf einem anderen Aufbau: Dort nutzten die Forschenden dicht gepackte Stickstoff-Fehlstellenzentren (nitrogen vacancy centres) in Diamanten – kamen aber zum gleichen grundlegenden Ergebnis.

„Dass in zwei völlig unterschiedlichen Systemen so ähnliche Ergebnisse erzielt wurden, unterstreicht, dass Zeitkristalle eine breite neue Phase der Materie sind und nicht nur eine Kuriosität, die auf kleine oder sehr spezifische Systeme beschränkt ist“, erklärte Phil Richerme von der Indiana University, der nicht an der Studie beteiligt war, in einem begleitenden Perspektivbeitrag.

„Die Beobachtung des diskreten Zeitkristalls … bestätigt, dass Symmetriebrechung im Wesentlichen in allen natürlichen Bereichen auftreten kann, und ebnet den Weg für mehrere neue Forschungsrichtungen.“

Yaos Bauplan ist in Physical Review Letters veröffentlicht. Die Harvard-Arbeit zu Zeitkristallen ist hier zu finden, und die Arbeit der University of Maryland hier.

Aktualisierung

Update 31. Januar 2017: Zuvor hatten wir die ständige Oszillation der Zeitkristalle so beschrieben, als handele es sich im Grundzustand um eine Art Perpetuum mobile – das ist nicht korrekt. Wir haben diese Erklärung nun entsprechend korrigiert.