Der Kristall, der die Zeit verbiegen kann

Das Rydberg-Atom enthält ein Elektron weit entfernt vom Kern. Bildnachweis: Technische Universität Wien

Forschern ist es gelungen, einen sehr seltsamen Zustand der Materie zu erzeugen, in dem der Durchmesser seiner Atome hundertmal größer ist als sein normaler Durchmesser.

Zeitkristalle, die 2012 vom Nobelpreisträger Frank Wilczek vorgeschlagen wurden, wurden nun erfolgreich mit Rydberg-Atomen und Laserlicht an der Tsinghua-Universität in China hergestellt, mit theoretischer Unterstützung der Technischen Universität Wien in Österreich. Dieser neue Zustand der Materie repliziert sich nicht wie herkömmliche Kristalle im Raum, sondern im Laufe der Zeit und zeigt spontane periodische Rhythmen ohne äußere Reize, ein Phänomen, das als spontane Symmetriebrechung bekannt ist.

Ein Kristall ist eine Anordnung von Atomen, die sich im Raum in regelmäßigen Abständen wiederholen: An jedem Punkt sieht der Kristall genau gleich aus. Im Jahr 2012 stellte Nobelpreisträger Frank Wilczek die Frage: Könnte es auch einen Zeitkristall geben – ein Objekt, das sich nicht im Raum, sondern in der Zeit wiederholt? Kann ein periodischer Rhythmus entstehen, auch wenn dem System kein bestimmter Rhythmus vorgegeben ist und die Wechselwirkung zwischen den Teilchen völlig unabhängig von der Zeit ist?

Die Idee von Frank Wilczek sorgt seit Jahren für heftige Kontroversen. Einige hielten Zeitkristalle grundsätzlich für unmöglich, während andere versuchten, Schlupflöcher zu finden und unter bestimmten besonderen Bedingungen Zeitkristalle zu erhalten. Nun wurde an der Tsinghua-Universität in China mit Unterstützung der Technischen Universität Wien in Österreich ein besonders erstaunlicher Zeitkristalltyp erfolgreich hergestellt. Das Team verwendete Laserlicht und ganz besondere Atomarten, Rydberg-Atome, deren Durchmesser mehrere Hundert Mal größer als normal ist. Die Ergebnisse wurden nun in einer Fachzeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

Automatische Symmetriebrechung

Auch das Ticken einer Uhr ist ein Beispiel für eine periodische Bewegung der Zeit. Allerdings passieren sie nicht spontan: Jemand muss die Uhr zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgezogen und in Gang gesetzt haben. Diese Startzeit bestimmt dann das Timing der Beats. Anders verhält es sich mit der Kristallisation der Zeit: Nach Wilczeks Idee soll die Periodizität spontan entstehen, auch wenn es keinen physikalischen Unterschied zwischen verschiedenen Zeitpunkten gibt.

„Die Klickhäufigkeit ist durch die physikalischen Eigenschaften des Systems vorgegeben, die Zeitpunkte, zu denen das Klicken auftritt, sind jedoch völlig zufällig; dies wird als spontane Symmetriebrechung bezeichnet“, erklärt Professor Thomas Pohl vom Institut für Theoretische Physik der Universität Wien Technologie.

Ein statisches System, das auf einem kontinuierlichen Lichteintrag basiert, führt zu zeitabhängigen periodischen Signalen. Urheberrecht: TU Wien

Thomas Paul war für den theoretischen Teil der Forschungsarbeiten verantwortlich, die nun zur Entdeckung eines Zeitkristalls an der Tsinghua-Universität in China führten: Laserlicht wurde auf einen Glasbehälter gestrahlt, der mit einem Gas aus Rubidiumatomen gefüllt war. Gemessen wurde die Stärke des Lichtsignals, das das andere Ende des Behälters erreichte.

„Das ist eigentlich ein Dauerexperiment, bei dem dem System kein bestimmter Rhythmus vorgegeben wird“, sagt Thomas Paul. „Die Wechselwirkungen zwischen Licht und Atomen sind immer gleich, der Laserstrahl hat eine konstante Intensität das erreicht das andere Ende der Glaszelle.“ „Es beginnt in sehr regelmäßigen Mustern zu schwingen.“

Riesige Atome

Der Schlüssel zum Experiment lag in der besonderen Vorbereitung der Atome: Die Elektronen wurden in… Mais Atome können den Kern auf unterschiedlichen Bahnen umkreisen, je nachdem, wie viel Energie sie haben. Wird dem äußersten Elektron eines Atoms Energie zugeführt, kann der Abstand zwischen ihm und dem Atomkern sehr groß werden. Im Extremfall kann der Abstand zwischen ihm und dem Kern mehrere Hundert Mal größer sein als normal. Auf diese Weise entstehen Atome mit riesigen Elektronenhüllen – sogenannte Rydberg-Atome.

„Wenn die Atome in unserem Glasgefäß in solchen Rydberg-Zuständen präpariert werden und ihr Durchmesser riesig wird, dann werden auch die Kräfte zwischen diesen Atomen sehr groß“, erklärt Thomas Paul. „Das wiederum verändert die Art und Weise, wie man mit dem Laser interagiert. Wählt man das Laserlicht so, dass es in jedem Atom gleichzeitig zwei verschiedene Rydberg-Zustände anregen kann, entsteht eine Rückkopplungsschleife, die spontane Schwingungen verursacht.“ zwischen den beiden Atomzuständen. Dies führt wiederum dazu, dass das oszillierende Licht absorbiert wird. Die Riesenatome taumeln von selbst in einem regelmäßigen Rhythmus, und dieser Rhythmus wird in den Rhythmus der Lichtintensität übersetzt, die das Ende des Glasbehälters erreicht.

„Wir haben hier ein neues System geschaffen, das eine leistungsstarke Plattform zur Vertiefung unseres Verständnisses des Zeitkristallphänomens bietet und der ursprünglichen Idee von Frank Wilczek sehr nahe kommt“, sagt Thomas Paul. „Präzise, ​​selbsterhaltende Schwingungen könnten beispielsweise für Sensoren genutzt werden. Riesenatome mit Rydberg-Zuständen wurden für solche Techniken in anderen Zusammenhängen bereits erfolgreich eingesetzt.“

Referenz: „Dissipative Time Crystallization in a Strongly Interacting Rydberg Gas“ von Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul und Li Yu, 2. Juli 2024, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9