Tijdkristallen klinken misschien als iets uit sciencefiction, meer te maken hebben met tijdreizen of Dr. Who. Deze vreemde materialen - waarin atomen en moleculen in ruimte en tijd zijn gerangschikt - zijn in feite heel echt, en openen geheel nieuwe manieren om over de aard van materie na te denken. Ze kunnen uiteindelijk ook helpen bij het beschermen van informatie in futuristische apparaten die bekend staan ​​als kwantumcomputers.

Twee groepen onderzoekers van de Harvard University en de University of Maryland rapporteren op 9 maart in het tijdschrift Natuur dat ze met succes tijdkristallen hebben gemaakt met behulp van theorieën die zijn ontwikkeld aan de Princeton University. Het op Harvard gebaseerde team omvatte wetenschappers uit Princeton die een fundamentele rol speelden bij het uitwerken van het theoretische begrip dat leidde tot de creatie van deze exotische kristallen.

"Ons werk ontdekte de essentiële fysica van hoe tijdkristallen functioneren, " zei Shivaji Sondhi, een Princeton hoogleraar natuurkunde. "Wat is meer, deze ontdekking bouwt voort op een reeks ontwikkelingen bij Princeton die de vraag aangaat hoe we complexe systemen in en uit evenwicht begrijpen, wat van cruciaal belang is voor de manier waarop natuurkundigen de aard van de alledaagse wereld verklaren."

anno 2015, Sondhi en collega's, waaronder de toen afgestudeerde student Vedika Khemani, die haar Ph.D. aan Princeton in 2016 en is nu een junior fellow aan Harvard, evenals medewerkers Achilleas Lazarides en Roderich Moessner bij het Max Planck Instituut voor de fysica van complexe systemen in Duitsland, publiceerde de theoretische basis voor hoe tijdkristallen - die aanvankelijk als onmogelijk werden beschouwd - werkelijk konden bestaan. Gepubliceerd in het tijdschrift Natuurkunde beoordelingsbrieven in juni 2016, de krant leidde tot gesprekken over het bouwen van dergelijke kristallen.

Gewone kristallen zoals diamanten, kwarts of ijs zijn opgebouwd uit moleculen die spontaan ordenen in ordelijke driedimensionale patronen. De natrium- en chlooratomen in een zoutkristal, bijvoorbeeld, zijn met regelmatige tussenpozen uit elkaar geplaatst, vormen een hexagonaal rooster.

In tijdkristallen, echter, atomen zijn gerangschikt in patronen, niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd. Naast een patroon dat zich in de ruimte herhaalt, tijdkristallen bevatten een patroon dat zich in de loop van de tijd herhaalt. Een manier waarop dit kan gebeuren is dat de atomen in het kristal met een bepaalde snelheid bewegen. Zou er een tijdkristal van ijs bestaan, alle watermoleculen zouden met een identieke frequentie trillen. Wat is meer, de moleculen zouden dit doen zonder enige input van de buitenwereld.

Het concept van tijdkristallen is ontstaan ​​bij natuurkundige Frank Wilczek van het Massachusetts Institute of Technology. In 2012, de Nobelprijswinnaar en voormalig faculteitslid van Princeton dacht na over de overeenkomsten tussen ruimte en tijd. In natuurkundig spraakgebruik, van kristallen wordt gezegd dat ze "translatiesymmetrie in de ruimte breken" omdat de atomen zich assembleren tot starre patronen in plaats van gelijkmatig te worden verspreid, zoals ze zich in een vloeistof of gas bevinden. Zouden er niet ook kristallen moeten zijn die de translatiesymmetrie in de tijd doorbreken?

"De atomen bewegen in de tijd, maar in plaats van op een vloeiende of continue manier te bewegen, ze bewegen op een periodieke manier, "Zei Sondhi. "Het was een interessant idee." Het was ook een idee dat leidde tot felle discussies in de natuurkundetijdschriften over de vraag of dergelijke kristallen zouden kunnen bestaan. De eerste conclusie leek te zijn dat ze dat niet konden, althans niet in de instellingen die Wilczek visualiseerde.

Sondhi en Khemani dachten in 2015 aan een heel ander probleem toen ze de theorie uitwerkten over hoe tijdkristallen zouden kunnen bestaan. Ze onderzochten vragen over hoe atomen en moleculen tot rust komen, of in evenwicht komen, om fasen van materie te vormen, zoals vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

Hoewel het onder natuurkundigen algemeen bekend was dat alle systemen uiteindelijk tot rust komen, werk in de afgelopen tien jaar had dat idee uitgedaagd, specifiek tussen atomen bij zeer lage temperaturen waar de regels van de kwantumfysica gelden. Men realiseerde zich dat er systemen zijn die nooit in evenwicht komen vanwege een fenomeen dat 'veel-lichaamslokalisatie' wordt genoemd. " die optreedt als gevolg van het gedrag van veel atomen in een ongeordend kwantumsysteem die elkaar beïnvloeden.

Werk in dit gebied is een lange Princeton-traditie. Het eerste en baanbrekende concept van hoe kwantumsystemen kunnen worden gelokaliseerd wanneer ze ongeordend zijn, genaamd Anderson-lokalisatie, voortkwam uit het werk van Philip Anderson, een Princeton-professor en Nobelprijswinnaar, in 1958. Dit werk werd in 2006 uitgebreid tot systemen van vele atomen door de toenmalige Princeton-professor Boris Altshuler, postdoctoraal fellow Denis Basko, en Igor Aleiner van Columbia University.

Tijdens een sabbatical bij het Max Planck Instituut voor de Fysica van Complexe Systemen in Duitsland, Sondhi en Khemani realiseerden zich dat deze ideeën over hoe te voorkomen dat systemen een evenwicht bereiken, de creatie van tijdkristallen mogelijk zouden maken. Een systeem in evenwicht kan geen tijdkristal zijn, maar niet-evenwichtssystemen kunnen worden gecreëerd door periodiek te porren, of "rijden, " een kristal door een laser op zijn atomen te laten schijnen. Tot verbazing van de onderzoekers, hun berekeningen onthulden dat het periodiek porren van atomen die zich in niet-evenwichtige gelokaliseerde fasen met veel lichamen bevonden, ervoor zou zorgen dat de atomen bewegen met een snelheid die twee keer zo langzaam was - of twee keer de periode - als de aanvankelijke snelheid waarmee ze werden geprikt.

Uitleggen, Sondhi vergeleek de aandrijving van het kwantumsysteem met periodiek knijpen in een spons. "Als je de spons loslaat, je verwacht dat het zijn vorm zal hervatten. Stel je nu voor dat het pas na elke tweede keer knijpen zijn vorm herneemt, ook al oefen je elke keer dezelfde kracht uit. Dat is wat ons systeem doet, " hij zei.

Princeton postdoctoraal onderzoeker Curt von Keyserlingk, die aanvullend theoretisch werk heeft bijgedragen met Khemani en Sondhi, zei, "We hebben uitgelegd hoe de tijdkristalsystemen zich vastzetten in de aanhoudende oscillaties die een spontane breuk van de tijdtranslatiesymmetrie betekenen." Aanvullend werk van onderzoekers van Microsoft's Station Q en de University of California-Berkeley leidde tot een beter begrip van tijdkristallen.

Als resultaat van deze theoretische studies, twee groepen onderzoekers begonnen in het laboratorium tijdkristallen te bouwen. Het op Harvard gebaseerde team, waaronder Khemani op Harvard en von Keyserlingk in Princeton, gebruikte een experimentele opstelling waarbij een kunstmatig rooster in een synthetische diamant werd gemaakt. Een andere benadering aan de Universiteit van Maryland maakte gebruik van een keten van geladen deeltjes die ytterbium-ionen worden genoemd. Beide teams hebben het werk deze week nu gepubliceerd in Natuur .

Beide systemen laten de opkomst van tijdkristallijn gedrag zien, zei Christopher Monroe, een natuurkundige die de inspanning leidde aan de Universiteit van Maryland. "Hoewel alle aanvragen voor dit werk ver in de toekomst liggen, deze experimenten helpen ons iets te leren over de innerlijke werking van deze zeer complexe kwantumtoestand, " hij zei.

Het onderzoek kan uiteindelijk leiden tot ideeën over hoe informatie in kwantumcomputers te beschermen, die kan worden verstoord door inmenging van de buitenwereld. Veel-lichaamslokalisatie kan kwantuminformatie beschermen, volgens onderzoek gepubliceerd in 2013 door het Princeton-team van David Huse, de Cyrus Fogg Brackett hoogleraar natuurkunde, evenals Sondhi en collega's Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan en Arijeet Pal. Het onderzoek werpt ook licht op manieren om topologische fasen van materie te beschermen, onderzoek waarvoor F. Duncan Haldane van Princeton, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde, deelde in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Sondhi zei dat het werk enkele van de meest fundamentele vragen over de aard van materie behandelt. "Men dacht dat als een systeem niet tot rust komt en in evenwicht komt, je zou niet echt kunnen zeggen dat het in een fase zit. Het is heel belangrijk als je een definitie kunt geven van een fase van materie wanneer de materie niet in evenwicht is, " hij zei.

Deze onevenwichtige setting heeft de realisatie van nieuwe en opwindende fasen van materie mogelijk gemaakt, volgens Khemani. "De creatie van tijdkristallen heeft ons in staat gesteld een vermelding toe te voegen aan de catalogus van mogelijke bestellingen in ruimte-tijd, voorheen voor onmogelijk gehouden, ' zei Kheman.

De artikelen "Observatie van discrete tijdkristallijne orde in een ongeordend dipolair veellichamensysteem" en "Observatie van een discrete tijdkristal" werden op 9 maart gepubliceerd door Natuur .