Enkele van de meest diepgaande voorspellingen in de theoretische natuurkunde, zoals de zwaartekrachtsgolven van Einstein of het Higgs-deeltje, tientallen jaren hebben geduurd om te bewijzen met experimenten. Maar zo nu en dan, een voorspelling kan in verbazingwekkend korte tijd een vaststaand feit worden. Dit is wat er gebeurde met "tijdkristallen", een nieuwe en vreemde toestand van materie die werd getheoretiseerd, weerlegd, vernieuwd en uiteindelijk gemaakt in slechts vijf jaar sinds het voor het eerst werd voorspeld in 2012.

Kristallen, zoals diamant en kwarts, zijn gemaakt van atomen die in een herhalend patroon in de ruimte zijn gerangschikt. In deze nieuwe kristallen, atomen volgen ook een herhalend patroon, maar op tijd. Vanwege deze vreemde eigenschap, tijdkristallen zouden ooit toepassingen kunnen vinden in revolutionaire technologieën zoals quantum computing.

Het verhaal van tijdkristallen begint in 2012 met Nobelprijswinnaar Frank Wilczek van MIT. Als theoretisch fysicus en wiskundige, Wilczek zette een cruciale stap in het overdragen van een belangrijke eigenschap van reguliere kristallen - symmetriebreking genoemd - om het idee van tijdkristallen te creëren.

Om te begrijpen wat symmetriebreking is, denk aan vloeibaar water. In een waterdruppel, moleculen zijn vrij om te bewegen en kunnen overal in de vloeistof zijn. De vloeistof ziet er in elke richting hetzelfde uit, wat betekent dat het een hoge mate van symmetrie heeft. Als het water bevriest om ijs te vormen, aantrekkingskrachten tussen de moleculen dwingen ze om te herschikken tot een kristal, waar moleculen met regelmatige tussenpozen uit elkaar staan. Maar deze regelmaat betekent dat het kristal niet zo symmetrisch is als de vloeistof, dus we zeggen dat de symmetrie van de vloeistof is verbroken bij het invriezen in ijs.

Symmetrie breken is een van de meest diepgaande concepten in de natuurkunde. Het zit achter de vorming van kristallen, maar komt ook voor in veel andere fundamentele processen. Bijvoorbeeld, het beroemde Higgs-mechanisme, wat verklaart hoe subatomaire deeltjes massa krijgen, is een symmetriebrekingsproces.

Terug in 2012, Wilczek kwam met een prikkelend idee. Hij vroeg zich af of, op dezelfde manier dat een kristal de symmetrie in de ruimte verbreekt, het zou mogelijk zijn om een ​​kristal te creëren dat een equivalente symmetrie in de tijd doorbreekt. Dit was de eerste keer dat het idee van een tijdkristal werd getheoretiseerd.

Zo'n object zou een intrinsieke tijdsregelmatigheid hebben, gelijk aan het regelmatige patroon van het kristal in de ruimte. Voor een tijdkristal, het patroon zou een continue verandering zijn in een van zijn fysieke eigenschappen, een soort hartslag die zich voor altijd herhaalt, een beetje als een perpetuum mobile.

Eeuwigdurende bewegingsmachines, dat zijn machines die onbeperkt kunnen werken zonder een energiebron, zijn verboden door de wetten van de fysica. Wilczek herkende deze eigenaardigheid van zijn tijdkristaltheorie en, in 2015, een andere groep theoretische natuurkundigen toonde aan dat een perpetuum mobile inderdaad onmogelijk zou zijn.

Maar dit was niet het einde van het verhaal. in 2016, nieuw onderzoek toonde aan dat tijdkristallen in theorie nog steeds kunnen bestaan, maar alleen als er een externe drijvende kracht was. Het idee was dat de tijdsregelmatigheid op de een of andere manier sluimerend zou zijn, aan het zicht onttrokken, en dat het toevoegen van een beetje energie het tot leven zou brengen en het zou onthullen. Dit loste de paradox van perpetuum mobile op, en bracht nieuwe hoop voor het bestaan ​​van tijdkristallen.

Vervolgens, in de zomer van 2016, de voorwaarden om tijdkristallen te creëren en te observeren werden uiteengezet in een artikel in de online arXiv-repository, en later gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Physical Review Letters. De onderzoekers bestudeerden hoe een speciale eigenschap van deeltjes die bekend staat als kwantumspin herhaaldelijk kan worden omgekeerd door een externe kracht met regelmatige tussenpozen. Ze voorspelden dat als ze dit met een set deeltjes zouden doen, de interacties tussen de deeltjes zouden hun eigen oscillaties in de spin produceren, het creëren van een "gedreven" tijdkristal.

In een kwestie van maanden, twee verschillende experimentele groepen waren de uitdaging aangegaan om de tijdkristallen in het laboratorium te maken. Een van de teams vuurde laserpulsen af ​​op een reeks ytterbiumatomen die oscillaties veroorzaakten in de eigenschappen van de atomen. met verschillende tussenpozen van de pulsen. Dit betekende dat de ytterbiumatomen zich gedroegen als een tijdkristal.

Het andere team richtte zich op een heel ander systeem, bestaande uit onzuiverheden in een diamantkristal. Ze gebruikten microgolven om de onzuiverheden met welbepaalde tussenpozen te verstoren, en observeerde hetzelfde type tijdkristaloscillaties als het eerste team. Eindelijk, tijdkristallen waren gemaakt en de belangrijkste ideeën van Wilczek bleken waar te zijn.

Kristallen toekomst

De voorspelling, realisatie en ontdekking van tijdkristallen opent een nieuw hoofdstuk in de kwantummechanica, met vragen over de eigenschappen van deze nieuw ontdekte toestand van materie en of tijdkristallen in de natuur kunnen voorkomen.

De symmetriebrekende eigenschappen van gewone kristallen hebben geleid tot de creatie van fononische en fotonische metamaterialen, opzettelijk ontworpen materialen die selectief akoestische trillingen en licht regelen die kunnen worden gebruikt om de prestaties van protheses te verbeteren, of om de efficiëntie van lasers en glasvezel te verhogen. Dus de tijdsymmetriebrekende eigenschappen van tijdkristallen zullen waarschijnlijk hun weg vinden naar even nieuwe velden, zoals chrono-metamaterialen voor quantum computing, die de inherente eigenschappen van atomen gebruikt om gegevens op te slaan en te verwerken.

Het verhaal van tijdkristallen begon met een prachtig idee van een theoretisch natuurkundige, en heeft nu na slechts vijf jaar zijn eerste hoofdstuk afgesloten met sluitend experimenteel bewijs. Nog lang niet ten einde als wetenschappers hun grote theorieën bewijzen, het lijkt erop dat de natuurkunde levendiger is dan ooit.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.