Durchbruch geglückt: Deutsche erschaffen ultrarobusten Zeitkristall

"Ultrarobust" bedeutet in der Welt der Quantenphysik oft nur, dass ein Phänomen Sekunden anstatt Millisekunden aufrechterhalten werden kann. Umso überraschender war die Ankündigung von deutschen Forscher*innen, die sogenannte Zeitkristalle mindestens 40 Minuten lang beobachten konnten. Das ist 10 Millionen Mal länger als man bisher schaffte, schreiben sie in einer Aussendung. 

Theorie zu Zeitkristallen entstand erst 2012 

Zeitkristalle sind ein relativ neues Phänomen, das zum ersten Mal 2012 vom Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek erdacht wurde. Sein Gedanke: Während sich die Atom-Struktur von Kristallen immer wieder wiederholt - in einem 3-dimensionalen Kristallgitter - wiederholen sich Zeitkristalle auch in einer 4. Dimension: der Zeit. 

Genauer betrachtet ändert sich der sogenannte Spin der Atomkerne, Elektronen oder Photonen. Dieser beschreibt einfach gesagt, ob ihr magnetischer Nord-/Südpol nach oben oder unten zeigt. Man kann diesen Spin umkehren, indem das atomare Teilchen etwa durch einen Laser oder Radioimpuls angeregt wird. Eine erneute Anregung führt zu einer erneuten Spinumkehr, usw. Um den Spin zu ändern, musste das Teilchen also periodisch angeregt werden.

Kontinuierlicher Zeitkristall ist normalerweise sehr kurzlebig

2022 konnten Physiker*innen erstmals einen kontinuierlichen Zeitkristall erzeugen. Dieser wurde kontinuierlich angeregt und änderte seinen Spin in einem bestimmten Zeitabstand. Der Kristall hatte allerdings nur eine Lebensdauer von wenigen Millisekunden.

Forscher*innen der Technischen Universität Dortmund gelang nun ein Durchbruch. Ihr kontinuierlicher Zeitkristall ist robust und langlebig. Grundlage dafür ist das gängige Halbleitermaterial Indiumgalliumarsenid, in das fremde Siliziumatome eingefügt wurden. Das Material wurde dann auf 6 Kelvin (-267 Grad Celsius) heruntergekühlt und einem Magnetfeld ausgesetzt. Dann wurden die Atome kontinuierlich mit einem Laserstrahl angeregt.

Dabei begannen die Atomkerne zu "ticken" - sie änderten alle 6,9 Sekunden ihren Spin. Ein periodischer Zeitkristall war geboren. Die Frequenz des Kristalls blieb auch dann stabil, wenn Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes verändert wurden. Das Experiment dauerte 40 Minuten, doch laut den Forscher*innen seinen auch längere Zeiträume möglich. Erst bei einer Temperaturerhöhung auf 17 Kelvin "schmolz" der Zeitkristall. 

Wozu braucht man einen Zeitkristall?

Wozu kann man solche Zeitkristalle nutzen? Etwa als Frequenzgeber für Atomuhren, wodurch auch die Genauigkeit von GPS verbessert werden könnte. Da die Kristalle während ihres Tickens keine Energie aufnehmen oder abnehmen, gelten sie als besonders resistent gegenüber Temperaturschwankungen (vorausgesetzt es ist nicht so heiß, dass sie "schmelzen"). Damit widersprechen Zeitkristalle scheinbar dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da eine periodische Zustandsänderung immer mit einem Energieverlust einhergeht und daher irgendwann enden muss.

Eine praktische Nutzung von Zeitkristallen dürfte aber noch Jahrzehnte entfernt sein. Die Erschaffung von Zeitkristallen derzeit dient also primär dem Zweck, selbige zu erforschern und dabei auch weitere potenzielle Einsatzmöglichkeiten zu finden.

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