Direkt zum Inhalt
Login erforderlich
Dieser Artikel ist Abonnenten mit Zugriffsrechten für diese Ausgabe frei zugänglich.

Zeitkristalle: Quantenmaterie in endloser Schwingung

Zwei Forschergruppen haben im Labor exotische Strukturen erzeugt, die erst wenige Jahre zuvor vorhergesagt worden waren: Muster in Quanten­systemen, die sich mit der Zeit wiederholen.
Die Stickstofffehlstellenzentren in einem Diamanten leuchten rot auf, wenn sie mit grünem Laserlicht bestrahlt werden.

Innerhalb von fünf Jahren haben Wissenschaftler ein radikal neues theoretisches Konzept für eine bizarre Form von Materie entwickelt, diskutiert, verworfen, überarbeitet und schließlich im Labor umgesetzt. Der Physiknobelpreisträger Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology erarbeitete 2012 das Prinzip dieser so genannten Zeitkristalle. Nun haben zwei Forschergruppen sie beobachtet. Herkömmliche Kristalle zeichnen sich durch eine regelmäßige räumliche Anordnung aus – bewegt man sich hindurch, trifft man in immer gleichen Abständen auf ein Atom oder Molekül. Auch bei Zeitkristallen gibt es eine wiederkehrende Struktur, allerdings in der Zeit.

Physiker sprechen bei einem solchen Übergang von einem Symmetriebruch. So ordnen sich etwa die umherschwirrenden Moleküle in flüssigem Wasser beim Erstarren zu Eis auf einem Gitter an. Taucht man – auf mikroskopischer Ebene – in Wasser hinein, erscheint es von jedem Punkt und in jede Richtung über große Distanzen gleichermaßen durcheinander. Im Eis hingegen erblickt man Moleküle, die aufgereiht sind wie auf einer Perlenkette. Die Sichtverhältnisse ändern sich so plötzlich wie für einen Wanderer, der aus einem naturgewachsenen Wald auf das Gelände einer Baumschule tritt: Die Umgebung wiederholt sich nach dem Symmetriebruch nur noch an endlich vielen Stellen. Physiker sprechen hier von einer diskreten Symmetrie, im Gegensatz zu einer kontinuierlichen, bei der etwas unter beliebigen Winkeln gleich erscheint.

Wilczek überlegte 2012, ob der energiesparendste Zustand nicht etwa ein Symmetriebruch mit periodischer Ordnung im Raum sein könnte, sondern einer mit einem regelmäßigen Muster in der Zeit. Eine solche Struktur wäre selbst in ihrem niedrigsten Energiezustand nie in Ruhe und würde immer wieder und in klar definierten Intervallen in eine bestimmte Ordnung zurückkehren ...

Kennen Sie schon …

Spektrum der Wissenschaft – Vielfältige Quanten

Wir tauchen ein in die Welt der Quanten, die uns noch immer zahlreiche Rätsel aufgibt. Forscher entwickeln ständig neue Modelle und hinterfragen Grundlegendes, wie beispielsweise das Konzept der Zeit. Gleichzeitig macht die Entwicklung neuer Quantencomputer große Fortschritte und könnte unsere Verschlüsselungssysteme bedrohen. Experten arbeiten an neuen Methoden, um unsere Daten zu schützen. Erfahren Sie, wie diese Herausforderungen gemeistert werden und ob Kryptografen den Wettlauf gegen die Zeit gewinnen können.

Spektrum - Die Woche – Neue Reben für den Weinbau

Von Klimawandel und Krankheiten bedroht, muss der Weinbau an die neuen Bedingungen angepasst werden. Die Genschere soll den Wein der Zukunft retten. Außerdem beobachtet »Die Woche«, wie Künstlerinnen und Künstler die Welt wahrnehmen und wie sich soziale Unsicherheiten durch Social Media verstärken.

Spektrum der Wissenschaft – Quantencomputer

Supraleitende Schaltkreise, neutrale Atome oder Ionenfallen – es gibt viele verschiedene Ansätze, Qubits zu realisieren. Welche Technologie am Ende im Quantencomputer stecken wird, ist noch offen. Wir geben einen Überblick über die sechs aktuellen Favoriten. Außerdem im Heft: In Island planen Wissenschaftler, im Bereich der Krafla zu einem Reservoir mit flüssigem Gestein vorzudringen. So wollen sie erstmals Magma direkt erforschen – und geothermische Energie erschließen. Wir stellen außerdem die ersten überraschenden Ergebnisse von Gesteinsproben des Asteroiden Bennu vor, die aus zu den Anfängen des Sonnensystems stammen. Die ältesten Höhlenmalereien finden sich auf Indonesien. Fachleute suchen nach den Ursachen, warum diese seit Ihrer Entdeckung plötzlich verfallen.

  • Quellen

Choi, S. et al.: Observation of Discrete Time-Crystalline Order in a Disordered Dipolar Many-Body System. In: Nature 543, S. 221–225, 2017

Yao, N. Y. et al.: Discrete Time Crystals: Rigidity, Criticality, and Realizations. In: Physical Review Letters 118, 030401, 2017

Zhang, J. et al.: Observation of a Discrete Time Crystal. In: Nature 543, S. 217–220, 2017

Schreiben Sie uns!

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Zuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Zuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmende sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Zuschriften können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.