Tijdkristallen kunnen bestaan bij kamertemperatuur, in een systeem dat niet geïsoleerd is van zijn omgeving. Dat hebben wetenschappers voor het eerst aangetoond. Dit brengt toepassingen in ‘de echte wereld’ dichterbij.

De meeste mensen hebben wel een idee wat kristallen zijn. Je komt ze tegen in je keuken in de vorm van zout- en suikerkristallen. Of misschien denk je eerder aan een diamant of amethist. In deze kristallen zijn de deeltjes waar ze uit bestaan gerangschikt in een regelmatig patroon in de ruimte. Tafelzout bestaat bijvoorbeeld uit netjes op elkaar gestapelde kubusjes. Dit soort kristallen worden ook wel ruimtekristallen genoemd.

In 2012 stelde natuurkundige Frank Wilczek kristalstructuren voor die geen patroon in de ruimte vormen, maar in de tijd. Bij deze zogeheten tijdkristallen gaat het niet om regelmatig gerangschikte atomen, maar om deeltjes die regelmatige, herhalende bewegingen maken.

Ockhams scheermes: hoe een middeleeuwse monnik de kracht van eenvoud doorzag
LEES OOK
Ockhams scheermes: hoe een middeleeuwse monnik de kracht van eenvoud doorzag

Je hoeft geen energie toe te voegen om zo’n tijdkristallen te behouden. Je hebt enkel energie nodig om ze op gang te brengen, daarna kunnen ze zelfstandig eeuwig blijven bewegen. Dit is meer dan alleen een wild idee van Wilczek. Het bestaan van tijdkristallen is sindsdien aangetoond in experimenten.

Geïsoleerde tijdkristallen

Deze eerdere experimenten zijn uitgevoerd in geïsoleerde systemen – meestal bij een extreem lage temperatuur – om verstoringen van buitenaf te vermijden. Dit leverde complexe experimentele opstellingen op, met grote tafels vol lasers en vacuüm- en elektronische apparatuur.

Wetenschappers werken nu aan drastisch vereenvoudigde opstellingen, zodat tijdkristallen ook buiten een gespecialiseerd laboratorium kunnen bestaan. Dit is nodig om ze te kunnen toepassen, bijvoorbeeld voor toekomstige quantumtechnologie, zoals quantumcomputers, of nauwkeurige tijdmetingen.

Tijdkristal bij kamertemperatuur

Een onderzoeksgroep met Amerikaanse en Poolse wetenschappers heeft nu een belangrijke stap gezet. ‘Als je experimentele systeem energie-uitwisseling heeft met zijn omgeving [bijvoorbeeld in de vorm van warmte], dan kan dat de ordelijke, regelmatige beweging verstoren’, zegt hoofdauteur Hossein Taheri van de universiteit van Californië, Riverside. ‘In onze opstelling vindt het systeem een balans tussen energie-winst en -verlies om zo tijdkristallen te creëren en te behouden.’

De technische details
Hun opstelling bestaat uit een een schijfvormige, zogeheten optische resonator van magnesiumfluoride met een diameter van twee millimeter. Hierop richten de onderzoekers twee lasers met verschillende frequenties. In de resonator ontstaan daardoor een reeks optische solitonen. Een soliton is een op zichzelf staande golf, die over lange afstanden kan reizen zonder van vorm te veranderen. De solitonen bewegen rond de rand van de resonator en worden op hun plek gehouden door de twee lasers. Als de boel precies goed is afgesteld, kan er een optische tijdkristal in het systeem ontstaan.

De onderzoekers hebben aangetoond dat hun systeem weinig last heeft van verstoringen van buitenaf en lange tijd stabiel blijft.

‘Ik denk dat deze publicatie een zeer belangrijke doorbraak beschrijft in experimenteel tijdkristalonderzoek’, mailt Peter Hannaford van de Australische Swinburne-universiteit. ‘Het experiment werkt bij kamertemperatuur en kan worden verkleind tot een computerchip en vereenvoudigd voor toepassingen in de echte wereld.’ Deze ontwikkeling betekent dat tijdkristallen eindelijk hun veilige, maar complexe lab-omgeving kunnen verlaten.