Als je vloeibaar water afkoelt, het kristalliseert tot ijs. Denk aan een emmer gevuld met water, bijvoorbeeld. Als het water vloeibaar is, de watermoleculen kunnen overal in de emmer zijn. In deze betekenis, elk punt in de emmer is equivalent. Zodra het water bevriest, echter, de watermoleculen nemen goed gedefinieerde posities in de ruimte in. Dus, niet elk punt in de emmer is meer gelijkwaardig. Natuurkundigen noemen dit fenomeen spontane symmetriebreking. Hier wordt de translatiesymmetrie in de ruimte verbroken door de vorming van het kristal.

Kunnen kristallen zich in de tijd vormen in plaats van in de ruimte? Hoewel het een vreemd idee lijkt, het blijkt dat er een tijdkristal kan ontstaan ​​wanneer een fysiek systeem van veel op elkaar inwerkende deeltjes periodiek wordt aangedreven. Het bepalende kenmerk van een tijdkristal is dat een macroscopisch waarneembaar, zoals de elektrische stroom in een vaste stof, oscilleert met een frequentie die kleiner is dan de aandrijffrequentie.

Tot dusver, tijdkristallen zijn gerealiseerd in kunstmatige modelsystemen. Maar nu, hoe zit het met echte systemen? Een stuk van een hogetemperatuur-supergeleider is zo'n echt systeem - je kunt het online kopen. Het is niet veel om naar te kijken, met zijn bruinachtige, roestige kleur. Toch vormt de wrijvingsloze elektronenstroom bij temperaturen tot 100 K (-173 °C) een van de meest spectaculaire fenomenen van de materiaalwetenschap.

"We stellen voor om een ​​supergeleider met hoge temperatuur in een tijdkristal te veranderen door er een laser op te laten schijnen, " legt eerste auteur Guido Homann van de afdeling Natuurkunde van de Universität Hamburg uit. De frequentie van de laser moet worden afgestemd op de somresonantie van twee fundamentele excitaties van het materiaal. Een van deze excitaties is de ongrijpbare Higgs-modus, die conceptueel gerelateerd is aan het Higgs-deeltje in de deeltjesfysica. De andere excitatie is de plasmamodus, overeenkomend met een oscillerende beweging van elektronenparen, die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding.

Co-auteur Dr. Jayson Cosme van Universität Hamburg, nu Universiteit van de Filippijnen, voegt eraan toe dat "het creëren van een tijdkristal in een supergeleider met hoge temperatuur een belangrijke stap is omdat het deze echte dynamische fase van materie vaststelt in het domein van de fysica van vaste stoffen." Het beheersen van vaste stoffen door licht is niet alleen wetenschappelijk fascinerend, maar ook technologisch relevant, zoals benadrukt door groepsleider Prof. Dr. Ludwig Mathey. "Het uiteindelijke doel van ons onderzoek is om op aanvraag kwantummaterialen te ontwerpen." Met hun nieuwe voorstel, dit fascinerende streven is nu gevorderd in de richting van dynamische toestanden van materie, in plaats van de gebruikelijke statische toestanden van materie, door een strategie uit te stippelen om tijdkristallen te ontwerpen in plaats van gewone kristallen, die een nieuwe en verrassende richting van materiaalontwerp opent.