Een wilde theorie is werkelijkheid geworden. Twee teams van fysici hebben onafhankelijk van elkaar een raadselachtige vorm van materie gecreëerd: tijdkristallen. Dit zijn kristallen die voortdurend in beweging zijn zonder energie te verliezen.
MIT-natuurkundige en Nobellaureaat Frank Wilczek speculeerde in 2012 als eerste over het bestaan van tijdkristallen. Dat deed hij terwijl hij college gaf over gewone kristalstructuren zoals zout en sneeuwvlokken. In zo’n kristal zijn de atomen en moleculen gerangschikt in een regelmatig patroon in de driedimensionale ruimte.
Wilczek dacht dat het wellicht mogelijk was een vergelijkbare kristalstructuur te creëren in de tijddimensie. In plaats van regelmatig herhalende rijen van atomen zou zo’n tijdkristal regelmatig herhalende beweging vertonen.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Veel fysici waren hier sceptisch over. Ze stelden dat een tijdkristal waarvan de atomen eeuwig in beweging zijn, zonder extra benodigde energie, gelijk zou staan aan een perpetuum mobile. Dat is een denkbeeldig, voortdurend bewegend apparaat dat volgens de wetten van de natuurkunde niet kan bestaan.
Wilczek bracht daartegenin dat je een tijdkristal eerder moet vergelijken met supergeleidend materiaal. In een supergeleider ondervinden elektronen geen weerstand. In theorie kunnen ze eeuwig blijven stromen zonder dat het systeem extra energie nodig heeft.
Blauwdruk
In een tijdkristal stromen elektronen niet in een lijn, maar in een cirkel. Bovendien stromen ze niet vloeiend, maar klonteren ze af en toe samen. Dat samenklonteren herhaalt zich in tijd op dezelfde manier als waarop atomen in normale kristallen zich ruimtelijk herhalen.
In een publicatie in Physical Review Letters onthult natuurkundige Norman Yao van de universiteit van Californië nu een blauwdruk voor het maken van een tijdkristal. Twee andere teams van onderzoekers hebben dit recept al met succes gevolgd.
Het tijdkristal van Yao vereist een externe kracht, bijvoorbeeld een laserpuls, om de beweging aan te zwengelen. De laserpuls verandert dan de magnetische spin van een geladen deeltje in het kristal. Dit is een quantummechanische eigenschap die je kunt zien als de draaiing van het deeltje.
De spin van elk kristaldeeltje is verbonden met die van andere deeltjes. Als de laserpuls de spin van één deeltje verandert, verandert dat deeltje op zijn beurt de spin van het volgende deeltje, en zo verder. Dat plaatst het systeem in een herhalend patroon van periodieke beweging.
Ytterbium
Een tijdkristal moet aan twee kritieke voorwaarden voldoen. Na de initiële aanzwengeling moet het een gesloten systeem zijn, dat geen interacties kan aangaan met de omgeving en dus geen energie kan verliezen. Daarnaast moeten interacties tussen quantumdeeltjes de drijvende kracht zijn achter de stabiliteit van het tijdkristal.
Aan de hand van Yao’s recept hebben twee onderzoeksteams inmiddels tijdkristallen in het lab gemaakt. In september maakten natuurkundigen van de University of Maryland een tijdkristal uit een reeks gevangen ytterbiumionen. Een maand later deed een team van de Harvard University hetzelfde door kleine mankementen in diamant te benutten. Beide teams hebben een artikel ter publicatie ingediend.
De twee benaderingen leverden allebei een herhalend bewegingspatroon waarvan de periode twee keer zo groot is als de periode waarmee de laser zijn pulsen uitzendt. Wanneer deze perioden van elkaar verschillen, is dat het bewijs dat je een uit zichzelf bewegend tijdkristal hebt gemaakt, en niet een gewoon kristal dat door de laser wordt aangestuurd.
Quantumcomputer
Tijdkristallen zijn meer dan een curiositeit. Ze vertegenwoordigen de eenvoudigste vorm van een toestand van materie die fysici pas sinds kort onderzoeken: materie die standaard uit evenwicht is. Volgens Spyridon Michalakis, natuurkundige aan het California Institute of Technology en niet betrokken bij het onderzoek, ‘overbrugt Yao’s werk de kloof tussen theorie en experiment door concrete suggesties voor experimenteel onderzoek te doen.’
Tijdkristallen kunnen van pas komen bij het maken van stabiele qubits: de bouwstenen van quantumcomputers. Om informatie op te slaan vereisen deze apparaten dat de qubits in een stabiele toestand van verstrengeling verkeren. Een minieme verstoring van buitenaf zal die stabiliteit echter verbreken, wat leidt tot fouten in de berekeningen.
Een manier om dit te voorkomen is door de qubits zorgvuldig te isoleren. Maar beter is het om bouwstenen te maken die van zichzelf wat robuuster zijn – bijvoorbeeld door qubits in elkaar te vlechten. Op die manier krijg je vormen van materie analoog aan tijdkristallen.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: