Natuurkundigen hebben kwantumonsterfelijkheid ontdekt met behulp van een revolutionair tijdkristal

Wetenschappers hebben een grote doorbraak bereikt op het gebied van de kwantumfysica door een tijdkristal te produceren met een levensduur die miljoenen keren langer is dan voorheen. Deze ontdekking bevestigt de theoretische voorspelling van tijdkristallen van Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012, waarmee periodiek gedrag wordt aangetoond in een systeem zonder periodieke externe invloeden.

Onderzoekers zijn erin geslaagd de levensduur van tijdkristallen te verlengen, wat het theoretische concept van Frank Wilczek bevestigt. Dit betekent een belangrijke stap voorwaarts in de kwantumfysica.

Een team van de TU Dortmund Universiteit is er onlangs in geslaagd een extreem duurzaam tijdkristal te produceren dat miljoenen keren langer leeft dan in eerdere experimenten kon worden aangetoond. Daarmee bevestigden ze een zeer interessant fenomeen, dat ongeveer tien jaar geleden werd gepostuleerd door Nobelprijswinnaar Frank Wilczek en dat zijn weg al heeft gevonden naar sciencefictionfilms. De resultaten zijn inmiddels gepubliceerd in Natuurfysica.

Een baanbrekende prestatie in tijdkristalonderzoek

Kristallen, of beter gezegd: kristallen in de ruimte, zijn periodieke rangschikkingen van atomen op grote lengteschalen. Deze opstelling geeft de kristallen hun prachtige uiterlijk, met gladde facetten zoals bij edelstenen.

Omdat de natuurkunde ruimte en tijd vaak op hetzelfde niveau behandelt, bijvoorbeeld in de speciale relativiteitstheorie, stelde Frank Wilczek, natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Nobelprijswinnaar in de natuurkunde, in 2012 de hypothese op dat bovendien voor kristallen in de ruimte , er moeten ook kristallen in de tijd zijn. Om dit het geval te laten zijn, zei hij, moet een van zijn fysieke eigenschappen in de loop van de tijd spontaan en periodiek beginnen te veranderen, ook al ondervindt het systeem geen soortgelijke periodieke interferentie.

Wat op een vlam lijkt, is de meting van het nieuwe tijdkristal: elk punt komt overeen met een experimentele waarde, wat leidt tot verschillende opvattingen over de periodieke dynamiek van de nucleaire spinpolarisatie van het tijdkristal. Bron afbeelding: Alex Grealish/TU Dortmund

Tijdkristallen begrijpen

De mogelijkheid van het bestaan ​​van dergelijke tijdkristallen is al enkele jaren onderwerp van controversieel wetenschappelijk debat – maar bereikte snel de bioscopen: het tijdkristal speelde bijvoorbeeld een centrale rol in de Marvel Studios-film Avengers: Endgame (2019). Vanaf 2017 zijn wetenschappers er al een paar keer in geslaagd een mogelijk tijdkristal aan te tonen.

Dr. Alex Grealish werkt bij het Center for Condensed Matter Research van de afdeling Natuurkunde van de TU Dortmund. Krediet: TU Dortmund

Deze systemen werden echter – in tegenstelling tot het oorspronkelijke idee van Wilczek – onderworpen aan temporele excitatie met een specifieke periodiciteit, maar reageerden vervolgens met nog een periode die twee keer zo lang was. Een kristal dat zich periodiek in de tijd gedraagt, ook al is de excitatie tijdsonafhankelijk, dat wil zeggen constant, werd pas in 2022 gedemonstreerd in een Bose-Einstein-condensor. Het kristal leefde echter maar een paar milliseconden.

Een sprong in de tijd, de levensduur van kristallen

Natuurkundigen uit Dortmund onder leiding van dr. Alex Grelich hebben nu een speciaal kristal ontworpen van indium-galliumarsenide, waarin kernspins fungeren als reservoir voor het tijdkristal. Het kristal wordt continu belicht zodat de polarisatie van de kernspin wordt gevormd door interactie met de elektronenspin. Het is precies deze nucleaire spinpolarisatie die spontaan oscillaties genereert, het equivalent van een tijdkristal.

De stand van de experimenten op dit moment is dat het kristal een levensduur heeft van minimaal 40 minuten, wat 10 miljoen keer langer is dan tot nu toe is bewezen, en waarschijnlijk nog veel langer zal leven.

Het is mogelijk om de kristallisatieperiode op grote schaal 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 regio's zijn ook interessant, omdat er dan chaotisch gedrag ontstaat dat gedurende langere tijd kan worden volgehouden. Dit is de eerste keer dat wetenschappers theoretische hulpmiddelen hebben kunnen gebruiken om het chaotische gedrag van dergelijke systemen te analyseren.

Referentie: “Sterk continu tijdkristal in het nucleaire elektronenspinsysteem” door A. Greilich, NE Kopteva, AN Kamenskii, PS Sokolov, VL Korenev en M. Bayer, 24 januari 2024, Natuurfysica.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6