Kristallen die zonder enige energiebron eeuwig blijven bewegen. Het druist in tegen de natuurkundige wetten. Maar ze zouden nu toch in het lab zijn gemaakt.

Over vele miljarden jaren breekt het einde der tijden aan. Het universum is koud, donker en leeg; alle energie ging verloren in de vorm van warmte. Helemaal leeg? Nee, er is toch nog een lichtpuntje: een kristallen computer waarvan de atomen eeuwig rond blijven draaien, en dat zonder hulp van energie. Het lijkt onmogelijk. Toch kondigen twee verschillende onderzoeksgroepen nu aan dat het hen is gelukt zo’n tijdkristal in het lab te bouwen.

Een gek idee?

Theoretische natuurkundige en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek gaf in 2012 een college over de kristalstructuren van sneeuwvlokken. In sneeuwvlokken zijn de atomen gerangschikt in een regelmatig patroon in de driedimensionale ruimte: de kristalstructuur. Die bijzondere vormen kun je bijvoorbeeld zien op het raam bij koud weer.

Wilczek kwam op een bijzonder idee: wat als er een kristal bestond dat niet alleen een kristalstructuur in de ruimte zou hebben, maar ook in de tijd? Zo’n tijdkristal zou regelmatig herhalende bewegingen moeten vertonen. En dat zonder energie nodig te hebben! Zoals een klok die zonder batterij voor altijd blijft lopen. Wilczek’s concept werd met argusogen bekeken, zelfs door diverse vakgenoten.

De twee onderzoeksgroepen zeggen nu Wilczek’s gelijk te hebben bewezen. Een team fysici, geleid door de University of Maryland, maakte een tijdkristal uit ionen, elektrisch geladen atomen, van het element Ytterbium. Door een elektrisch veld toe te passen lieten de wetenschappers tien ionen boven een oppervlak zweven. Vervolgens gebruikten ze laserpulsen om de ionen te laten ‘flippen’, oftwel: de magnetisch spin verandert. Telkens weer werden de ionen in een regelmatig ritme beschoten, waarbij een patroon van regelmatige ‘flips’ in de tijd ontstond.

‘Flips’ in de tijd

De spin van elk ion is verbonden met dat van de andere deeltjes, een quantummechanisch effect. De ‘flip’ van het ene ion wordt dus doorgegeven aan het andere ion. Volgens de auteurs van deze studie in in Nature bewijst het hiermee dat het om een tijdkristal gaat. De tweede onderzoeksgroep deed iets vergelijkbaars, maar dan met behulp van een synthetisch diamant. Hun studie verschijnt binnenkort eveneens in Nature.

Hoogleraar gecondenseerde materiefysica Henk Stoof (Universiteit Utrecht) noemt de observatie van een tijdkristal een heel bijzondere ontwikkeling. “Hier wordt bewezen dat tijdkristallen niet in evenwicht kunnen bestaan. De hoop is nu dat op deze manier nieuwe fases van materie kunnen worden gemaakt, die op een andere manier niet kunnen bestaan.”

Kunnen we ook wat met deze tijdkristallen? Ja, er zijn praktische toepassingen. Bijvoorbeeld in een quantumcomputer. Die werkt op basis van de quantummechanica en wordt in staat geacht supersnelle berekeningen te kunnen uitvoeren. “Deze experimenten laten zien dat de weg daarnaartoe nu open lijkt te liggen”, aldus Stoof.

Bronnen: Nature, University of Texas via EurekAlert!

Beeld: Chronamut/CC 3.0