Zeitkristalle bei der Interaktion „ertappt“

Exoten im Duo: Forscher haben erstmals beobachtet, wie zwei Zeitkristalle miteinander wechselwirken – Materiezustände, die nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich regelmäßige Muster zeigen. Im Experiment gingen Zeitkristalle aus extrem heruntergekühltem Helium-3 eine Kopplung ein, die dem sogenannten Josephson-Effekt entspricht. Diese physikalische Wechselwirkung von quantenphysikalischen Wellenfunktionen tritt auch in Supraleitern auf.

Normale Kristalle bestehen aus einem räumlichen Gitter aus sich regelmäßig wiederholenden Grundeinheiten. Bei den 2012 theoretisch postulierten Zeitkristallen dagegen kommt eine zeitliche Dimension hinzu: Ihre Atome verändern ihren Zustand in regelmäßigen Zeitabständen wie eine Art Oszillator. 2016 haben Physiker erstmals solche Zeitkristalle auch experimentell erzeugt und nachgewiesen – einen aus Ytterbium-Ionen, den anderen aus einem synthetischen Diamant.

Bose-Einstein-Kondensat als Ausgangspunkt

Jetzt ist Forschern um Samuli Autti von der Lancaster University ein weiterer Durchbruch gelungen: Sie haben erstmals zwei Zeitkristalle bei der Interaktion beobachtet. „Kontrollierte Wechselwirkungen von Zeitkristallen stehen ganz oben auf der Wunschliste, wenn man diese Materiezustände für praktische Anwendungen wie die Quantentechnologie nutzen möchte“, erklärt Autti. „Bisher aber hat noch niemand zwei Zeitkristalle in einem System beobachtet und sie schon gar nicht interagieren gesehen.“

Für ihr Experiment kühlten sie zunächst superflüssige Helium-3-Isotope bis auf minus 273,15 Grad herunter. In diesem Zustand wird das Helium zum Bose-Einstein-Kondensat – einer Materieform, in der die Atome ihre Eigenständigkeit verlieren und wie ein einziger Kristall reagieren. Quantenphysikalisch ausgedrückt schwingen die auch als Wellen beschreibbaren einzelnen Teilchen im Gleichtakt.

Austausch virtueller Teilchen

Dann folgte der entscheidende Schritt: Die Physiker regten das System durch Magnetpulse an und brachten damit zwei der Kondensate zum Oszillieren – es entstanden zwei Zeitkristalle. Einer lag an der Oberfläche des Heliums, der andere etwas tiefer. Um jeden Störeffekt auszuschließen, schalteten die Forscher nun die äußeren Magnetpulse ab, so dass die beiden Zeitkristalle ohne weitere Anregung „weitertickten“.

Es zeigte sich: Die beiden Zeitkristalle entwickelten eine Kopplung, bei der sie virtuelle Teilchen austauschten, wie Messungen mittels Kernspinresonanz enthüllten. Diese Interaktion war an zusätzlichen „Seitenbändern“ in den Messignalen erkennbar, wie Autti und sein Team berichten. Wie sie erklären, ist dies das erste Mal, dass eine solche Interaktion von Zeitkristallen nachgewiesen wurde. „Die Wechselwirkung zweier Zeitkristalle zu kontrollieren, ist ein bedeutender Schritt“, sagt Autti.

Wechselwirkung entspricht dem Josephson-Effekt

Aus ihren Messdaten schließen die Physiker, dass die Zeitkristalle bei dieser Wechselwirkung in einer Art Josephson-Effekt miteinander verbunden sind. Bei diesem sind die Wellenfunktionen zweier quantenphysikalischer Objekte über eine Kopplung so verbunden, dass sie auch eine Barriere durchtunneln können.

Dieser Effekt sorgt beispielsweise für einen Tunnelstrom bei Supraleitern. Die Interaktion über den Josephson-Effekt führt bei den Zeitkristallen dazu, dass sie magnetische Quasiteilchen – sogenannte Magnone – austauschen. Dadurch zeigen ihre Oszillationen Amplitudenschwankungen mit jeweils gegenläufiger Phase, wie Autti und sein Team erklären.

„Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass auch Zeitkristalle der allgemeinen Dynamik der Quantenmechanik folgen“, konstatieren die Forscher. „Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung ihrer fundamentalen Eigenschaften und auch Wege zu potenziellen Anwendungen beispielweise bei der Verarbeitung von Quantenformationen.“ (Nature Materials, 2020; doi: 10.1038/s41563-020-0780-y)

Quelle: Lancaster University