Quantenphysik

Gibt es Zeitkristalle?

Von Ulf von Rauchhaupt
24.09.2018
, 10:00
Das Harvard-Experiment zum Zeitkristall
Der Physik Nobelpreisträger Frank Wilczek hatte eine theoretische Einsicht und einen schicken Namen dafür. Dann gaben ihm Experimente recht.
ANZEIGE

Kristallgitter sind Gitter im Raum. Geht so etwas auch in der Zeit? Zeitkristalle in diesem Sinne wären also nicht etwa eine irgendwie kristallisierte Zeit, sondern durchaus materielle Gebilde, welche genau das in der Zeit realisieren, was bei Kristallen in räumlicher Hinsicht der Fall ist: dass sich Strukturen in gewissen, konstanten Abständen wiederholen.

ANZEIGE

Klar gibt es so etwas, werden viele nun sagen. Das sind eben Vorgänge, die sich in konstanten Zeitabständen wiederholen, periodische Prozesse also, und dergleichen kennt man doch reichlich: Jede tickende Uhr wäre demnach ein Zeitkristall, jeder kreisende Planet, jedes schlagende Herz.

Doch Physiker können solchen Wortgebrauch schlecht gelten lassen. Denn in räumlichen Kristallen kommt neben der Periodizität noch etwas hinzu, das bei Uhren oder Herzen nicht gegeben ist: Ihr periodisches Gitter ist der Zustand mit der niedrigsten Energie, der Grundzustand. Man muss keine Energie zuführen, damit ein Kristallgitter ein Kristallgitter bleibt. Uhren oder Herzen oszillieren dagegen stets unter Energieverbrauch, und selbst Planeten verlieren beim Kreisen stetig etwas Energie, und sei es nur durch die Abstrahlung extrem schwacher Gravitationsstrahlen. Außerdem sind das alles komplexe, zusammengesetzte Gebilde und nicht das, was Physiker fundamentale Materiezustände nennen würden. „Wenn etwas komplex ist, dann ist das Chemie oder Biologie“, sagt der Physik-Nobelpreisträger Frank Wilzcek vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), „aber keine Physik.“

Eine Symmetrie zerbricht

Im Prinzip einfach (und daher Physik) ist das Modellsystem, das Wilczek 2012 veröffentlichte und das sowohl eine Periodizität in der Zeit zeigt als auch dabei zugleich im Grundzustand bleibt. Ließe sich etwas Derartiges im Labor realisieren, hätte man einen Zeitkristall. Der Schluss war aufsehenerregend, denn dies würde auf eine spontane Brechung der sogenannten Zeittranslationssymmetrie hinauslaufen: Wo diese Symmetrie intakt ist, ändert sich die Physik eines Vorganges nicht, wenn man sie statt jetzt ein Zeitintervall später betrachtet. Sie ist eine der wichtigsten Symmetrien überhaupt. Wie die deutsche Mathematikerin Emmy Noether 1918 bewies, ist sie der Grund hinter dem Satz der Energieerhaltung, und obendrein ist sie eine Möglichkeitsbedingung empirischer Wissenschaft: Sie stellt sicher, dass aus einer Beobachtung jetzt auch etwas Richtiges über die Welt zu einem späteren Zeitpunkt gefolgert werden darf.

ANZEIGE

Dies ist nun durch Wilzceks Theorie nicht gefährdet, denn in seinem Modell ist die Symmetrie nicht abwesend, sondern nur gebrochen. Das ist wie beim Auskristallisieren eines Salzes im räumlichen Fall: Zunächst gibt es nur die Salzlösung, in der keine Raumrichtung irgendwie besonders ist. Es herrscht sichtlich Symmetrie. Nach der Kristallation aber sind plötzlich bestimmte Richtungen ausgezeichnet, nämlich die entlang der Gitterebenen des entstandenen Salzkristalls. Genau so kommt es in Wilzceks Modellsystem spontan zu Auszeichnung bestimmter diskreter Abschnitte in der Zeit, wenn ein System spontan zu pulsieren beginnt. Für alles, was mit dem System zu tun hat, sind nun nicht mehr alle Zeitpunkte gleich, denn die Pulse markieren einzelne als besonders – die Zeittranslationssymmetrie ist gebrochen.

Unmöglichkeitsbeweis und Schlupfloch

Wilczeks Kollegen blieben indes ungläubig. Ein Stück weit zu Recht, denn 2015 bewiesen zwei Theoretiker der Universitäten in Berkeley und Tokio in voller Strenge, dass aus keinem System im Zustand niedrigstmöglicher Energie ein Zeitkristall werden kann. Allerdings ließ der Beweis ein Schlupfloch: Er galt nur für Systeme, die schon ein Gleichgewicht erreicht hatten – etwa wie ein See, in den Bäche genauso viel Wasser hineinfließen lassen wie andernorts abfließt, so dass sich sein Wasserspiegel nicht ändert. Für Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden - analog zu Seen, deren Spiegel ständig schwankt –, war die Bildung von Zeitkristallen jedoch nicht ausgeschlossen.

ANZEIGE

Es dauerte kein Jahr, da nutzten andere Forscher dieses Schlupfloch und zeigten, dass ein System interagierender Quantenteilchen, denen zudem ein gewisses Maß an Unordnung zu eigen ist, spontan ein periodisches Verhalten an den Tag legt, wenn man es durch fortgesetztes Anschubsen mit einem Laser davon abhält, ins Gleichgewicht zu kommen. Das wäre dann zwar kein autonomer Zeitkristall im Sinne von Frank Wilzceks ursprünglicher Idee, doch da der Takt des Systems nicht mit dem des anschubsenden Lasers identisch ist, sondern sich spontan ein davon verschiedener Takt einstellt, wird der durch das Anschubsen bereits äußerlich verletzten Zeittranslationssymmetrie ein zusätzlicher Bruch verliehen. Das reicht den meisten Physikern, um das Ganze einen Zeitkristall zu nennen.

Triumphe der Experimantalphysik

Nur ein weiteres Jahr später wurde die Theorie durch gleich zwei verschiedene Laborexperimente bestätigt, die beide im März 2017 in Nature veröffentlicht wurden. Einer Gruppe um Christopher Monroe von der University of Maryland gelang es, eine Reihe aus zehn interagierenden Atomen des Elements Ytterbium spontan in eine Schwingung zu versetzen, die auch dieselbe blieb, als man die Anschubsfrequenz etwas änderte – ganz so, wie ein räumlicher Kristall seine Gitterstruktur nicht dadurch ändert, dass man ihn etwas staucht. Und wie bei einem räumlichen Kristall darf man es damit nicht übertreiben: Verlässt die externe Frequenz einen gewissen Bereich, kehrt die zuvor gebrochene Symmetrie zurück. Das System beginnt sich dann ganz dem Takt zu fügen, der es anschubst – der Zeitkristall schmilzt.

Die zweite Gruppe um Michail Lutkin in Harvard realisierte einen Zeitkristall an einem völlig anderen System, bestehend aus einer Million Stickstoff-Atomen in einem Diamantgitter, angeschubst mit Mikrowellen. Damit ist die Physik um einen neuen Effekt reicher, und die beteiligten Forscher werden nun immer wieder gefragt, was man mit den Zeitkristallen denn praktisch anfangen könne. Frank Wiczek hat darauf eine ehrliche und eine halbehrliche Antwort. „Die halbehrliche, die ich den Journalisten gebe, ist, dass Zeitkristalle prima Taktgeber für Quantencomputer abgeben könnten.“ Denkbar wären für ihn auch Anwendungen in hochempfindlichen Sensoren, etwa für Magnetfelder. „Doch meine ehrliche Antwort ist: Ich weiß es nicht.“

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
ANZEIGE