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Veröffentlicht: 18.03.2017, 12:37 Uhr

Exotische Materie Zeitkristalle schwingen ihren eigenen Taktstock

Zwei Quantensysteme zeigen eine seltsame Periodizität, wie man sie noch nie zuvor beobachtet hat. Sie verhalten sich wie Kristalle, nur dass sich ihre kristalline Ordnung nicht im Raum, sondern in der Zeit offenbart.

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© E. Edwards/JQI Ein Zeitkristall zeigt eine Periodizität in der Zeit statt im Raum.

Ob Diamant, Kupfer, Kochsalz oder Eis – viele Feststoffe zeichnen sich durch ihre wohlgeordnete Kristallstruktur aus. Die Atome sitzen auf festen Plätzen eines Gitters, dessen grundlegende räumliche Struktur – die Einheitszelle – sich periodisch in allen Richtungen wiederholt. Vor fünf Jahren überraschte der Physiknobelpreisträger Frank Wilczek die Fachwelt mit einer verrückt klingenden Idee. Der Forscher vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hatte berechnet, dass die für Kristalle typische periodische Struktur prinzipiell auch in der Zeitdimension möglich ist.

Manfred Lindinger Folgen:

Ein solches Material – man nennt es einen Zeitkristall – müsse so beschaffen sein, dass seine Bausteine nach bestimmten Zeitabständen immer wieder eine kristalline Ordnung annehmen. Viele Forscher versuchen seit längerem, Wilczeks Idee auch im Labor zu verwirklichen. Nun vermelden zwei amerikanischen Forschergruppen erste Erfolge. Ihnen ist es offenbar gelungen, Quantensysteme herzustellen, die das von Wilczek prognostizierte Verhalten zeigen.

Kristalle brechen die Zeitsymmetrie

Frank Wilczek ging bei seinen Überlegungen von einem physikalischen Prinzip aus, dem alle kristallinen Systeme unterliegen: der Symmetriebrechung. So nehmen beim Gefrieren von flüssigem Wasser die frei beweglichen Moleküle feste Gitterplätze im Eiskristall ein. Weil jetzt für die Wassermoleküle die Orte im Raum nicht mehr gleichberechtigt sind, hat sich auch die Symmetrie gegenüber der flüssigen Phase verringert. Physikalisch gesehen ist das ein Symmetriebruch. Was für den Raum gilt, müsste, so Wilczeks Überzeugung, prinzipiell auch für die Zeit gelten. Und das wäre in einem Zeitkristall der Fall, dessen Struktur sich nicht räumlich, sondern zeitlich periodisch änderte.

Hier wäre der Fluss der Zeit periodisch unterbrochen und somit die Zeitsymmetrie gebrochen. Die Idee hatte nur einen Haken: Weil sich der Zeitkristall im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befinden sollte, würde er weder Energie verbrauchen noch freisetzen. Er wäre also eine Art „Perpetuum mobile“ und damit ein Ding der Unmöglichkeit.

Bruch mit der äußeren Periodizität

Vielen Forschern war schnell klar: Wilczeks Zeitkristall kann es so nicht geben. Eine Ausnahme wäre allerdings, wenn die Symmetriebrechung nicht durch eine zeitlich periodische Strukturänderung herbeigeführt würde, sondern durch den Bruch einer dem System von außen aufgezwungenen Periodizität. Weil dem System dadurch regelmäßig Energie zuführt würde, wäre es nicht mehr im thermodynamischen Gleichgewicht. Allerdings müsste es stabil sein und dürfte sich nicht aufheizen.

Einen Zeitkristall, der auf diesem Ansatz beruht, präsentieren nun Jiehang Zhang von der University of Maryland in College Park und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“. Er besteht aus bis zu vierzehn Ytterbium-Ionen, die in der Schwebe gehalten werden. Die Teilchen sind über ihre Eigendrehimpulse (Spins) stark miteinander gekoppelt. In ihrem Experiment brachte eine Folge von Laserpulse das System aus dem physikalischen Gleichgewicht, indem sie bewirkten, dass sich die Spins periodisch umklappten. Die Ytterbium-Ionen folgten aber nicht dem Takt des Lasers, sondern entwickelten eine eigene Dynamik. Die Spins kehrten nur bei jedem zweiten Puls zu ihrem Ursprungszustand zurück. Nach Ansicht von Jiehang Zhang und seinen Kollegen spricht das Verhalten dafür, dass die Spins der Ytterbium-Ionen eine eigenständige, zeitlich diskrete Struktur eingenommen haben und damit die vorgegebene Symmetrie brechen, wie es ein Zeitkristall tun würde.

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Dass man einen Zeitkristall auch mit rund einer Million Teilchen verwirklichen kann, haben Forscher von der Harvard University in Cambridge gezeigt. Sie manipulierten die Spins von Stickstoffatomen, die in Diamantkristallen eingeschlossen waren. Das System reagierte mit der zwei- und dreifachen Periode der Mikrowellenanregung.

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