Tijdkristallen blijken toch te kunnen bestaan

Natuurkunde

In 2012 werd al bedacht dat kristallen in de tijd – en niet in de ruimte – een patroon kunnen vormen. Dat ontmoette scepsis. Nu is aangetoond dat het kan.

Foto Harvard University

Tijdkristallen. Het klinkt als sciencefiction en ook natuurkundig leken ze onmogelijk, maar ze bestaan echt: de kristallen, die geen regelmatig patroon vormen in de ruimte, maar wel in de tijd. Twee Amerikaanse experimenten, een van de universiteit van Maryland en een van Harvard, toonden dit aan. Vorige week verschenen hun resultaten in Nature.

De Nobelprijswinnaar en theoretisch natuurkundige Frank Wilczek bedacht de gekke kristallen in 2012. Volgens de natuurkunde zijn ruimte en tijd een. Daarom moest het volgens hem mogelijk zijn dat er materialen bestaan met een rooster atomen dat regelmatig is in de tijd. Net zoals de atomen in gewone kristallen een regelmatig rooster vormen in de ruimte. Deze tijdkristallen veranderen met een bepaalde regelmaat in een steeds terugkerend roosterpatroon. Volgens Wilczek kan deze beweging bestaan zonder dat er energie aan het kristal toegevoegd wordt. Dat is vergelijkbaar met een eeuwig tikkende klok die nooit opgewonden hoeft te worden.

Al snel kwam er kritiek. Een tijdkristal zou energie nodig hebben om op gang te komen. Daardoor is het kristal niet stabiel en kan het dus onmogelijk bestaan. Maar er bleek een sluiproute mogelijk. Helemaal zonder energie kan inderdaad niet, maar het is wel degelijk mogelijk om tijdkristallen te maken. Atomen in zo’n kristal kunnen een repeterende beweging uitvoeren als er een beetje aan atomen geschud wordt door er met lasers op te schijnen. Hierdoor, in combinatie met de wisselwerking tussen de deeltjes, ontstaat de periodieke beweging. Een tijdkristal is mogelijk met verschillende soorten atomen.

Bij Harvard kregen onderzoekers het voor elkaar met stikstofatomen die onregelmatigheden vormden in een stukje diamant. Dat ziet eruit als een gewoon steentje (rood op de foto hiernaast). Het tijdkristal van Maryland was een stuk en kleiner en bestond uit tien ytterbiumatomen. In beide experimenten bewogen de atomen met vaste regelmaat, nadat ze een zetje kregen van een laser. „Het was geweldig om te meten dat de verzameling atomen stabiel ging tikken in hun eigen tempo”, vertelt Renate Landig van Harvard in een mail.

Dat het kristal zijn eigen tempo kiest is bijzonder. „Het is alsof je tijdens het touwtjespringen twee keer met je arm draait, maar het touw op een of andere manier maar één keer rond gaat”, zegt Norman Yao, die bij beide experimenten betrokken was, in Nature.

Ongeacht de manier waarop je het kristal in beweging brengt, beweegt het altijd in zijn eigen ritme. Dit maakt de tijdkristallen geschikt voor het bouwen van quantumcomputers. „De techniek die tijdkristallen stabiel laat tikken, kan wellicht gebruikt worden om robuustere quantumbits te maken” zegt Landig.

    • Dorine Schenk