Physiker entschlüsseln die Quanten-Unsterblichkeit mit revolutionärer Zeitkristall-Technologie
Wissenschaftler haben im Bereich der Quantenphysik einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem sie einen Zeitkristall mit einer Lebensdauer produzierten, die Millionen Mal länger ist als zuvor erreicht. Diese Entdeckung bestätigt die theoretische Vorhersage von Zeitkristallen, die der Nobelpreisträger Frank Wilczek im Jahr 2012 gemacht hat. Sie zeigt periodisches Verhalten in einem System ohne periodischen externen Einfluss.
Forscher verlängern Lebensdauer von Zeitkristallen
Ein Team der TU Dortmund hat kürzlich erfolgreich einen hochbeständigen Zeitkristall hergestellt, der Millionen Mal länger lebte als in früheren Experimenten gezeigt werden konnte. Dadurch haben sie ein äußerst interessantes Phänomen bestätigt, das der Nobelpreisträger Frank Wilczek vor rund zehn Jahren postulierte und das bereits in Science-Fiction-Filmen Einzug gehalten hat. Die Ergebnisse wurden nun in Nature Physics veröffentlicht.
Durchbruch in der Zeitkristall-Forschung
Kristalle oder genauer gesagt Raumkristalle sind periodische Anordnungen von Atomen über große Längenskalen. Diese Anordnung verleiht Kristallen ihr faszinierendes Erscheinungsbild mit glatten Flächen wie bei Edelsteinen.
Da die Physik oft Raum und Zeit auf einer Ebene behandelt, zum Beispiel in der speziellen Relativitätstheorie, postulierte Frank Wilczek, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und Nobelpreisträger für Physik, im Jahr 2012, dass es neben Raumkristallen auch Zeitkristalle geben müsse. Dafür müsste eine ihrer physikalischen Eigenschaften spontan periodisch in der Zeit zu ändern beginnen, obwohl das System keiner entsprechenden periodischen Störung ausgesetzt ist.
Verständnis für Zeitkristalle
Die Frage, ob solche Zeitkristalle möglich sein könnten, war Gegenstand kontroverser wissenschaftlicher Debatten über mehrere Jahre hinweg - aber gelang schnell ins Kino: So spielte ein Zeitkristall eine zentrale Rolle im Film Avengers: Endgame (2019) von Marvel Studios. Seit 2017 ist es Wissenschaftlern tatsächlich in einigen wenigen Fällen gelungen, einen potenziellen Zeitkristall nachzuweisen.
Allerdings handelte es sich dabei um Systeme, die - im Gegensatz zur ursprünglichen Idee von Wilczek - einer zeitlichen Exzitation mit spezifischer Periodizität unterworfen sind, dann aber mit einer doppelt so langen Periode reagieren. Ein Kristall, der sich periodisch in der Zeit verhält, obwohl die Anregung zeitlich unabhängig, d.h. konstant ist, wurde jedoch erst 2022 in einem Bose-Einstein-Kondensat nachgewiesen. Allerdings lag die Lebensdauer des Kristalls nur bei wenigen Millisekunden.
Ein Sprung in der Lebensdauer von Zeitkristallen
Die Dortmunder Physiker um Dr. Alex Greilich haben nun einen speziellen Kristall aus Indium-Gallium-Arsenid entwickelt, bei dem die Kernspins als Reservoir für den Zeitkristall dienen. Der Kristall wird kontinuierlich beleuchtet, so dass eine Kernspin-Polarisation durch Wechselwirkung mit Elektronenspins entsteht. Und genau diese Kernspin-Polarisation erzeugt dann spontan Oszillationen, die einem Zeitkristall entsprechen.
Der Stand der Experimente zum jetzigen Zeitpunkt ist, dass die Lebensdauer des Kristalls mindestens 40 Minuten beträgt, was zehn Millionen Mal länger ist als bisher nachgewiesen wurde, und er könnte potenziell noch viel länger leben.
Es ist möglich, die Periode des Kristalls über weite Bereiche systematisch durch Änderung der experimentellen Bedingungen zu variieren. Allerdings ist es auch möglich, in Bereiche zu gelangen, in denen der Kristall 'schmilzt', d.h. seine Periodizität verliert. Diese Bereiche sind ebenfalls interessant, da sich dort chaotisches Verhalten manifestiert, das über lange Zeiträume aufrechterhalten werden kann. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler mit theoretischen Werkzeugen das chaotische Verhalten solcher Systeme analysieren.
