Het klinkt als iets uit een sciencefictionfilm, maar zogeheten tijdkristallen bestaan echt. En blijkbaar kun je ze vinden in kinderspeelgoed.
In 2012 kwam Nobelprijswinnaar Frank Wilczek met het idee voor het tijdkristal. Vorig jaar ontdekten wetenschappers voor het eerst hoe ze de kristallen, met behulp van een zeer ingewikkeld proces, in het laboratorium konden maken. Onlangs kwamen we nóg een stapje verder. Onderzoekers aan Yale publiceerden twee artikelen waaruit blijkt dat er een veel makkelijkere manier bestaat om de time crystals te maken.
Klok
Als je elke seconde met je vinger op je bureau tikt, dan zal het oppervlak van je bureau hierop reageren door bij elke tik een beetje in te krimpen en weer uit te zetten. De ‘periodiciteit’ (één seconde) van de reactie van het materiaal – het krimpen en uitzetten – is gelijk aan dat van de verstoring – de tik met je vinger. Bij een tijdkristal is dat anders. “Het bijzondere aan een tijdkristal is dat het inkrimpen en uitzetten precies twee keer zo lang duurt. Het reageert dus met een andere periode dan de verstoring. In die zin heeft het tijdkristal een ‘inwendige’ klok”, legt Henk Stoof van de Universiteit Utrecht uit.
Tijdkristallen zijn niet nieuw, we schreven er dan ook al eerder over. Voor een snelle opfrisser, lees ook het artikel uit 2013 over de, toen nog, theorie van Wilczek, en dat uit 2017 over de eerste keer dat de bijzondere kristallen in het laboratorium gemaakt werden.
Wanorde
Als je maar lang genoeg blijft tikken, ontkom je er niet aan dat je, naast een zere vinger, je bureau beschadigt. “Als je een materiaal periodiek verstoort, zal de energie die je toevoegt het materiaal opwarmen en uiteindelijk vernielen”, vertelt de wetenschapper. Zo ook bij een tijdkristal. “Om het tijdkristal langer mee te laten gaan, dacht men dat het ‘wanordelijk’ zou moeten zijn.” Die wanorde duidt op de ordening van het materiaal, en leidt tot zogeheten ‘dissipatie’. Materialen met een hogere wanorde zijn beter in staat de energie die aan het systeem toegevoegd wordt op te nemen. Zo wordt het minder warm, en gaat het minder snel kapot.
De onderzoekers ontdekten er tijdkristallen vormden in normale monoammoniumfosfaat (NH4H2PO4) kristallen, een veelgebruikt ingrediënt in kits voor het thuis kweken van kristallen. “Het nieuwe experiment aan Yale laat dus zien dat wanorde niet nodig is. Ze gebruiken een mooi, kristallijn materiaal, nagenoeg zonder enige wanorde. Dit maakt het veel gemakkelijker om tijdkristallen te maken”, aldus Stoof.
Magnetisch
“Alle drie experimenten maken gebruik van zogenaamde magnetische materialen, waarbij de reactie van het materiaal te maken heeft met de rotatie van de kleine magnetische atomen waaruit het materiaal opgebouwd is.” Stoof gelooft dat tijdkristallen veel algemener zijn en niet slechts gemaakt kunnen worden uit magnetische systemen. “Als we dat kunnen aantonen, dan worden tijdkristallen nog algemener, waarmee mogelijk ook veel meer toepassingen in zicht komen.”
Hoe de tijdkristallen precies gevormd worden in het monoammoniumfosfaat, is nog onduidelijk. Volgens Stoof heeft het te maken met de interacties tussen de magnetische fosforatomen. “Die interacties zijn nog aardig gecompliceerd. Daarom is het precieze mechanisme voor de vorming van het tijdkristal nog steeds niet helemaal duidelijk. Belangrijk is wel dat nu duidelijk is dat wanorde hier geen rol bij speelt. Daarmee hebben we in ieder geval een stap vooruit gemaakt!”
In ieder geval belooft de ontdekking dat het in de toekomst makkelijker wordt om de bijzondere kristallen te maken.
Bronnen: Physical Review Letters, Physical Review B., Popular mechanics
Om te lezen hoe het verder ook alweer zat met tijdkristallen, lees:
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!