Wissenschaftlern ist ein großer Durchbruch auf dem Gebiet der Quantenphysik gelungen, indem sie einen Zeitkristall mit einer millionenfach längeren Lebensdauer als bisher hergestellt haben. Diese Entdeckung bestätigt die theoretische Vorhersage von Zeitkristallen des Nobelpreisträgers Frank Wilczek aus dem Jahr 2012 und zeigt periodisches Verhalten in einem System ohne periodischen äußeren Einfluss.
Forschern ist es gelungen, die Lebensdauer von Zeitkristallen zu verlängern und damit das theoretische Konzept von Frank Wilczek zu bestätigen. Dies stellt einen wichtigen Fortschritt in der Quantenphysik dar.
Einem Team der TU Dortmund ist es kürzlich gelungen, einen äußerst langlebigen Zeitkristall herzustellen, der millionenfach länger lebt, als in früheren Experimenten gezeigt werden konnte. Damit bestätigten sie ein sehr interessantes Phänomen, das Nobelpreisträger Frank Wilczek vor rund zehn Jahren postulierte und bereits Eingang in Science-Fiction-Filme gefunden hat. Die Ergebnisse wurden jetzt veröffentlicht Naturphysik.
Eine Pionierleistung in der Zeitkristallforschung
Kristalle, oder genauer gesagt Kristalle im Raum, sind periodische Anordnungen von Atomen auf großen Längenskalen. Diese Anordnung verleiht den Kristallen ihr exquisites Aussehen mit glatten Facetten wie bei Edelsteinen.
Da die Physik Raum und Zeit häufig auf der gleichen Ebene behandelt, beispielsweise in der Speziellen Relativitätstheorie, stellte Frank Wilczek, Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und Nobelpreisträger für Physik, 2012 die Hypothese auf, dass es auch für Kristalle im Weltraum gilt , es müssen auch rechtzeitig Kristalle vorhanden sein. Damit dies der Fall sei, müsse sich eine seiner physikalischen Eigenschaften im Laufe der Zeit spontan periodisch ändern, auch wenn das System keine ähnlichen periodischen Störungen erfahre.
Was einer Flamme ähnelt, ist die Messung des neuen Zeitkristalls: Jeder Punkt entspricht einem experimentellen Wert, was zu unterschiedlichen Ansichten der periodischen Dynamik der Kernspinpolarisation des Zeitkristalls führt. Bildquelle: Alex Grealish/TU Dortmund
Zeitkristalle verstehen
Die Möglichkeit der Existenz solcher Zeitkristalle wird seit einigen Jahren in der Wissenschaft kontrovers diskutiert – gelangte aber schnell in die Kinos: So spielte der Zeitkristall beispielsweise im Marvel-Studios-Film Avengers: Endgame (2019) eine zentrale Rolle. Seit 2017 ist es Wissenschaftlern bereits mehrfach gelungen, einen möglichen Zeitkristall nachzuweisen.
Dr. Alex Grealish arbeitet am Zentrum für Kondensierte Materieforschung am Fachbereich Physik der TU Dortmund. Bildnachweis: TU Dortmund
Allerdings wurden diese Systeme – entgegen Wilczeks ursprünglicher Idee – einer zeitlichen Anregung mit einer bestimmten Periodizität ausgesetzt, reagierten dann aber mit einer weiteren, doppelt so langen Periode. Ein Kristall, der sich mit der Zeit periodisch verhält, obwohl die Anregung zeitunabhängig, also konstant ist, wurde erst 2022 in einem Bose-Einstein-Kondensator nachgewiesen. Allerdings lebte der Kristall nur wenige Millisekunden.
Zeitsprung, Kristall-Langlebigkeit
Dortmunder Physiker um Dr. Alex Grelich haben nun einen speziellen Kristall aus Indiumgalliumarsenid konstruiert, in dem Kernspins als Reservoir für den Zeitkristall fungieren. Der Kristall wird kontinuierlich beleuchtet, sodass durch Wechselwirkung mit dem Elektronenspin die Polarisation des Kernspins entsteht. Genau diese Kernspinpolarisation erzeugt spontan Schwingungen, das Äquivalent eines Zeitkristalls.
Der aktuelle Stand der Experimente geht davon aus, dass der Kristall eine Lebensdauer von mindestens 40 Minuten hat, was 10 Millionen Mal länger ist als bisher nachgewiesen, und wahrscheinlich noch viel länger leben wird.
Durch systematische Änderung der Versuchsbedingungen ist es möglich, die Kristallisationsdauer in großen Maßstäben zu variieren. Es ist jedoch auch möglich, in Bereiche vorzudringen, in denen der Kristall „schmilzt“, also seine Periodizität verliert. Auch diese Regionen sind interessant, da dann chaotisches Verhalten entsteht, das über längere Zeiträume aufrechterhalten werden kann. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler theoretische Werkzeuge nutzen konnten, um das chaotische Verhalten solcher Systeme zu analysieren.
Referenz: „Starker zeitkontinuierlicher Kristall im Kernelektronenspinsystem“ von A. Greilich, NE Kopteva, AN Kamenskii, PS Sokolov, VL Korenev und M. Bayer, 24. Januar 2024, Naturphysik.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6
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