Das Geheimnis der Zeitkristalle

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Ein Netz aus Elektronen-Spins (rot) offenbart den im fehlerhaften Diamanten gebildeten Zeitkristall; Georg Kucsko

Was klingt, als wäre es geradewegs einem Fantasy-Videospiel entsprungen, ist nun Realität: Sonderbare Formen der Materie, sogenannte „Zeitkristalle“, die ohne Pause ihre Struktur verändern und so die Symmetrie nicht wie üblich in der räumlichen Ebene, sondern in der Zeit brechen. Damit gelang den Forschern bisher Unmögliches.

Christopher Monroe verbrachte lange Zeit damit, einzelne Atome mithilfe von Licht anzustoßen. Er verbaute sie zu Ringen oder Ketten und traktiert diese mit Lasern zur Herstellung einfacher Quantencomputer. Im vergangenen Jahr versuchte er sich jedoch an etwas Neuem, als physikalisch unmöglich Geltendem: Der Entwicklung von Zeitkristallen; seltsamer hypothetischer Gebilde, die von selbst ohne Zuführung von Energie pulsieren. Ihr Muster wiederholt sich auf zeitlicher Ebene ebenso wie die Atome eines Kristalls auf räumlicher Ebene.

Nik Spencer/Nature

Die Idee an sich war derart anspruchsvoll, dass sich viele Forscher nach Veröffentlichung des provokativen Konzepts durch den Physiker Frank Wilcek im Jahr 2012 daran machten, möglichst schnell dessen Unmöglichkeit zu beweisen. Sie übersahen jedoch ein kleines physikalisches Schlupfloch, das sich nicht nur die Gruppe um Monroe zunutze machte, sondern auch Wissenschaftlern der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) die Herstellung von Zeitkristallen aus „unreinen Diamanten“ ermöglichte. Beide Wege führen zum selben Ziel, jedoch unterscheiden sie sich stark von Wilcek’s ursprünglicher Theorie. „Es ist weniger verrückt als die erste Idee, aber immer noch ziemlich verrückt“, lacht Norman Yao, Co-Autor beider Paper.

Erste Beispiele dieser bemerkenswerten Form von Materie zeigen eine sich stetig ändernde Ansammlung von Quantenteilchen, die nie einen stabilen Zustand erreichen. Dass die Kristalle dennoch existieren, liegt an zufälligen Interaktionen zwischen den Teilchen, die andere Arten der Materie normalerweise zerstören würden. Als „symmetriebrechend in der Zeit“ bezeichnet man sie, da sie in bestimmten Zeitintervallen zu ihrer ursprünglichen Ordnung zurückkehren, bevor sie erneut ihre Anordnung verändern (Hohe Symmetrie gleich niedrige Ordnung und umgekehrt). Wie „Zeitkristalle“ in Zukunft eingesetzt werden können, um Quantencomputer und super-sensible Magnetsensoren zu verbessern, wird noch untersucht. Fest steht jedoch schon jetzt: Diese Entdeckung ist ein weiterer, großer Schritt in Richtung Zukunft.

    

    

     

Quelle: nature.com

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Christoph Faist

Studiert seit 2015 am gemeinsamen Geozentrum von LMU und TU in München.

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