Een team van de TU Dortmund Universiteit is er onlangs in geslaagd een zeer duurzaam tijdkristal te produceren dat miljoenen keren langer leefde dan uit eerdere experimenten kon worden aangetoond. Daarmee hebben ze een uiterst interessant fenomeen bevestigd dat Nobelprijswinnaar Frank Wilczek ongeveer tien jaar geleden postuleerde en dat al zijn weg had gevonden naar sciencefictionfilms.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics .

Kristallen of, om preciezer te zijn, kristallen in de ruimte, zijn periodieke rangschikkingen van atomen over grote lengteschalen. Deze opstelling geeft kristallen hun fascinerende uiterlijk, met gladde facetten zoals bij edelstenen.

Omdat de natuurkunde ruimte en tijd vaak op één en hetzelfde niveau behandelt, bijvoorbeeld in de speciale relativiteitstheorie, stelde Frank Wilczek, natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en winnaar van de Nobelprijs voor de natuurkunde, in 2012 dat, naast kristallen in de ruimte, er moeten ook kristallen in de tijd zijn.

Om dit het geval te laten zijn, zei hij, zou een van hun fysieke eigenschappen periodiek periodiek in de tijd spontaan moeten veranderen, ook al ondervindt het systeem geen overeenkomstige periodieke interferentie.

Dat dergelijke tijdkristallen mogelijk zouden kunnen zijn, was jarenlang het onderwerp van controversieel wetenschappelijk debat, maar kwam al snel in de bioscoop terecht:een tijdkristal speelde bijvoorbeeld een centrale rol in de film Avengers:Endgame (2019) van Marvel Studios.

Vanaf 2017 zijn wetenschappers er inderdaad een paar keer in geslaagd een potentieel tijdkristal aan te tonen. Dit waren echter systemen die – in tegenstelling tot het oorspronkelijke idee van Wilczek – worden onderworpen aan een temporele excitatie met een specifieke periodiciteit, maar vervolgens reageren met nog een periode die twee keer zo lang duurt.

Een kristal dat zich periodiek in de tijd gedraagt, hoewel de excitatie tijdsonafhankelijk is, dat wil zeggen constant, werd pas in 2022 aangetoond in een Bose-Einstein-condensaat. Het kristal leefde echter slechts een paar milliseconden.

De natuurkundigen uit Dortmund onder leiding van dr. Alex Greilich hebben nu een speciaal kristal ontworpen van indium-galliumarsenide, waarin de kernspins fungeren als reservoir voor het tijdkristal. Het kristal wordt continu verlicht, zodat er een nucleaire spinpolarisatie ontstaat door interactie met elektronenspins. En het is precies deze nucleaire spinpolarisatie die vervolgens spontaan oscillaties genereert, vergelijkbaar met een tijdkristal.

De status van de experimenten op dit moment is dat de levensduur van het kristal minstens 40 minuten bedraagt, wat 10 miljoen keer langer is dan tot nu toe is aangetoond, en dat het kristal potentieel veel langer zou kunnen leven.

Het is mogelijk om de periode van het kristal over een groot bereik te variëren door de experimentele omstandigheden systematisch te veranderen. Het is echter ook mogelijk om naar gebieden te gaan waar het kristal "smelt", d.w.z. zijn periodiciteit verliest.

Deze gebieden zijn ook interessant, omdat zich dan chaotisch gedrag manifesteert dat gedurende lange perioden kan worden volgehouden.

Dit is de eerste keer dat wetenschappers theoretische hulpmiddelen hebben kunnen gebruiken om het chaotische gedrag van dergelijke systemen te analyseren.

Meer informatie: A. Greilich et al, Robuust continu tijdkristal in een elektron-nucleair spinsysteem, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02351-6

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door TU Dortmund Universiteit