Physiker postulieren neue Materieform:
In der Zeit fließende Flüssigkeit
Ein internationales Forschungsteam hat ein theoretisches Modell für eine bislang unbekannte Materieform entwickelt, die als Zeitflüssigkeit bezeichnet wird. Diese richtet bestimmte Strukturen nicht im Raum, sondern in der Zeit aus.
An der Untersuchung waren unter anderem Zuo Wang und Marios H. Michael vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Deutschland beteiligt. Ihr Ansatz soll helfen, das Zusammenspiel von Ordnung und Unordnung in physikalischen Systemen besser zu verstehen.
Zeitkristalle gehören zu den ungewöhnlichsten Konzepten der modernen Physik. Während gewöhnliche Kristalle wie Eis eine regelmäßige Struktur im Raum aufweisen, wiederholen Zeitkristalle ein bestimmtes Verhalten in zeitlichen Abständen. Bei sogenannten diskreten Zeitkristallen wird dieser Rhythmus durch eine äußere Anregung erzeugt, folgt aber einem anderen Takt als die Anregungsquelle. Beispielsweise kann sich das System nur bei jedem zweiten Impuls in gleicher Weise wiederholen.
Die Forschenden untersuchten nun, was geschieht, wenn diese äußere Anregung selbst unregelmäßig wird. Dafür entwickelten sie ein theoretisches Modell mit einem zweidimensionalen Gitter wechselwirkender Spins. Diese lassen sich vereinfacht als winzige magnetische Pfeile vorstellen. Das Gitter wurde mit einem elektromagnetischen Resonator gekoppelt, dessen Feld durch thermische Schwankungen beeinflusst wird.
In Computersimulationen zeigte sich, dass die Spins unter geeigneten Bedingungen einen stabilen Rhythmus entwickelten, obwohl die Anregung nicht gleichmäßig verlief. Ihre Schwingung erfolgte dabei mit der halben Frequenz des Resonators. Allerdings kam es immer wieder zu Unterbrechungen: Das System wechselte zwischen zwei gleichwertigen Varianten seines zeitlichen Musters.
Die Wissenschaftler bezeichnen diese Störungen als zeitliche Solitonen. Sie beeinträchtigen die langfristige Kohärenz, ohne den grundlegenden Rhythmus vollständig aufzulösen. Ähnlich wie flüssiges Wasser noch lokale Strukturen aufweist, obwohl das geordnete Kristallgitter des Eises verschwunden ist, bleibt auch hier eine begrenzte zeitliche Ordnung erhalten. Diesen Zustand nennen die Forschenden eine diskrete Zeitflüssigkeit.
Die Zeitflüssigkeit könnte damit neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Ordnung selbst unter wechselnden Umgebungsbedingungen entsteht. Zudem stellt sich die Frage, ob ein solcher Zustand auch im thermischen Gleichgewicht möglich ist, in dem herkömmliche Zeitkristalle nicht erwartet werden. Bislang handelt es sich allerdings um eine theoretische Vorhersage. Ob sich Zeitflüssigkeiten tatsächlich im Experiment erzeugen lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Siehe auch:
- Forschende beschreiben ein neues Konzept namens diskrete Zeitflüssigkeit
- Die Arbeit vom Max-Planck-Institut ist auf dem Preprint-Server arXiv publiziert
- Zeitkristalle wiederholen Verhaltensweisen in festen zeitlichen Intervallen
- Das theoretische Modell nutzt ein zweidimensionales Gitter aus vielen Spins
- Zufällige Schwankungen können unter bestimmten Bedingungen Ordnung erzeugen
- Mittlere Temperaturen ermöglichen den Rhythmus, hohe zerstören das Muster
Eine feste Ordnung
Die neu beschriebene Form soll Eigenschaften sogenannter Zeitkristalle bewahren, obwohl deren regelmäßige zeitliche Struktur teilweise verloren geht. Die Berechnungen zeigen, dass selbst zufällige Schwankungen unter bestimmten Bedingungen eine geordnete Dynamik hervorbringen können. Die Ergebnisse sind bislang nicht wissenschaftlich begutachtet worden und wurden auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht.An der Untersuchung waren unter anderem Zuo Wang und Marios H. Michael vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Deutschland beteiligt. Ihr Ansatz soll helfen, das Zusammenspiel von Ordnung und Unordnung in physikalischen Systemen besser zu verstehen.
Zeitkristalle gehören zu den ungewöhnlichsten Konzepten der modernen Physik. Während gewöhnliche Kristalle wie Eis eine regelmäßige Struktur im Raum aufweisen, wiederholen Zeitkristalle ein bestimmtes Verhalten in zeitlichen Abständen. Bei sogenannten diskreten Zeitkristallen wird dieser Rhythmus durch eine äußere Anregung erzeugt, folgt aber einem anderen Takt als die Anregungsquelle. Beispielsweise kann sich das System nur bei jedem zweiten Impuls in gleicher Weise wiederholen.
Die Forschenden untersuchten nun, was geschieht, wenn diese äußere Anregung selbst unregelmäßig wird. Dafür entwickelten sie ein theoretisches Modell mit einem zweidimensionalen Gitter wechselwirkender Spins. Diese lassen sich vereinfacht als winzige magnetische Pfeile vorstellen. Das Gitter wurde mit einem elektromagnetischen Resonator gekoppelt, dessen Feld durch thermische Schwankungen beeinflusst wird.
In Computersimulationen zeigte sich, dass die Spins unter geeigneten Bedingungen einen stabilen Rhythmus entwickelten, obwohl die Anregung nicht gleichmäßig verlief. Ihre Schwingung erfolgte dabei mit der halben Frequenz des Resonators. Allerdings kam es immer wieder zu Unterbrechungen: Das System wechselte zwischen zwei gleichwertigen Varianten seines zeitlichen Musters.
Die Wissenschaftler bezeichnen diese Störungen als zeitliche Solitonen. Sie beeinträchtigen die langfristige Kohärenz, ohne den grundlegenden Rhythmus vollständig aufzulösen. Ähnlich wie flüssiges Wasser noch lokale Strukturen aufweist, obwohl das geordnete Kristallgitter des Eises verschwunden ist, bleibt auch hier eine begrenzte zeitliche Ordnung erhalten. Diesen Zustand nennen die Forschenden eine diskrete Zeitflüssigkeit.
Wärme kann Ordnung erzeugen
Ungewöhnlich ist dabei auch die Rolle der Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen waren die Schwankungen im Modell zu schwach, um den charakteristischen Rhythmus hervorzubringen. Bei mittleren Temperaturen entstand die zeitliche Ordnung, während starke Schwankungen bei hohen Temperaturen das Muster wieder zerstörten.Die Zeitflüssigkeit könnte damit neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Ordnung selbst unter wechselnden Umgebungsbedingungen entsteht. Zudem stellt sich die Frage, ob ein solcher Zustand auch im thermischen Gleichgewicht möglich ist, in dem herkömmliche Zeitkristalle nicht erwartet werden. Bislang handelt es sich allerdings um eine theoretische Vorhersage. Ob sich Zeitflüssigkeiten tatsächlich im Experiment erzeugen lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
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Christian KahleRedakteur für Forschung, Energie und Raumfahrt
Begleitet die IT-Branche seit dem Dotcom-Boom, Informatik studierte er in Berlin. Sein Spektrum reicht von Quantencomputern über Solarstrom bis zur Raumfahrt.
