Forscher koppeln erstmals einen Zeitkristall an ein externes System

Ein internationales Physikerteam der Aalto-Universität in Finnland hat einen bedeutenden Durchbruch in der Quantenforschung erzielt: Erstmals gelang es, einen sogenannten Zeitkristall mit einem externen System zu verbinden.

Galt als nicht machbar

Das im Fachjournal Nature Communications veröffentlichte Paper könnte den Weg für neuartige Quantensensoren und Speichertechnologien ebnen. Zeitkristalle sind besondere physikalische Systeme, die sich in ihrem niedrigsten Energiezustand befinden und dennoch in periodischer Bewegung bleiben, ganz ohne Energiezufuhr von außen.

Dieses Konzept, das an eine Form von "perpetual motion" im Quantenbereich erinnert, wurde 2012 vom Nobelpreisträger Frank Wilczek theoretisch beschrieben und 2016 erstmals experimentell nachgewiesen. Bislang galt es jedoch als unmöglich, einen Zeitkristall mit seiner Umgebung zu koppeln, da jede äußere Einwirkung seine fragile Quantendynamik zerstört.


Der Physiker Jere Mäkinen und sein Team haben nun aber genau das geschafft. Mithilfe von Radiowellen pumpten sie sogenannte Magnonen, Quasiteilchen, die kollektive magnetische Schwingungen darstellen, in ein Helium-3-Supraleitfluid, das auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Nachdem der Energiezufluss gestoppt wurde, bildete sich ein Zeitkristall, der über 100 Schwingungszyklen hinweg stabil blieb, eine bisher unerreichte Dauer.

Dicht am Quantenraum

Während der langsamen Abschwächung der Bewegung koppelte sich der Zeitkristall spontan an einen nahegelegenen mechanischen Oszillator. Dessen Frequenz und Amplitude bestimmten dabei die Art der Wechselwirkung. "Wir konnten zeigen, dass sich Änderungen in der Frequenz des Zeitkristalls analog zu optomechanischen Effekten verhalten, wie sie auch in der Gravitationswellenforschung genutzt werden", erklärt Mäkinen. Durch Optimierung des Aufbaus ließe sich das System so feinjustieren, dass es nahezu an die Grenze des Quantenraums heranreicht.

Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Quanteninformatik. Zeitkristalle könnten als langlebige Speichereinheiten oder extrem präzise Taktgeber in Quantencomputern dienen. "Im besten Fall ermöglichen sie eine deutliche Steigerung der Rechenleistung und Stabilität solcher Systeme", so Mäkinen. Auch in der hochsensitiven Messtechnik - etwa bei der Frequenzkalibrierung - könnten Zeitkristalle künftig eine Schlüsselrolle spielen.


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