Zeitkristalle, die bei Raumtemperatur auf unbestimmte Zeit bestehen, könnten Anwendungen in der Präzisionszeitmessung haben

Wir alle haben Kristalle gesehen, sei es ein einfaches Salz- oder Zuckerkorn oder ein kunstvoller und schöner Amethyst. Diese Kristalle bestehen aus Atomen oder Molekülen, die sich in einem symmetrischen dreidimensionalen Muster wiederholen, das als Gitter bezeichnet wird und in dem Atome bestimmte Punkte im Raum einnehmen. Durch die Bildung eines periodischen Gitters brechen zum Beispiel Kohlenstoffatome in einem Diamanten die Symmetrie des Raums, in dem sie sitzen. Physiker nennen dies „Symmetriebruch“.

Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass ein ähnlicher Effekt mit der Zeit beobachtet werden kann. Symmetriebrechung kann, wie der Name schon sagt, nur dort auftreten, wo eine Art Symmetrie vorhanden ist. Im Zeitbereich erzeugt eine sich zyklisch ändernde Kraft oder Energiequelle naturgemäß ein zeitliches Muster.

Ein Symmetriebruch tritt auf, wenn ein von einer solchen Kraft angetriebenes System einem Déjà-vu-Moment ausgesetzt ist, aber nicht mit der gleichen Periode wie die der Kraft. „Zeitkristalle“ wurden in den letzten zehn Jahren als neue Phase der Materie verfolgt und in jüngerer Zeit unter aufwändigen experimentellen Bedingungen in isolierten Systemen beobachtet. Diese Experimente erfordern extrem niedrige Temperaturen oder andere strenge Bedingungen, um unerwünschte äußere Einflüsse, sogenanntes Rauschen, zu minimieren.

Damit Wissenschaftler mehr über Zeitkristalle erfahren und ihr Potenzial in der Technologie nutzen können, müssen sie Wege finden, zeitkristalline Zustände zu erzeugen und sie außerhalb des Labors stabil zu halten.

Spitzenforschung unter der Leitung von UC Riverside und veröffentlicht diese Woche in Naturkommunikation hat nun Zeitkristalle in einem System beobachtet, das nicht von seiner Umgebung isoliert ist. Diese große Errungenschaft bringt Wissenschaftler der Entwicklung von Zeitkristallen für den Einsatz in realen Anwendungen einen Schritt näher.

„Wenn Ihr experimentelles System einen Energieaustausch mit seiner Umgebung hat, arbeiten Dissipation und Rauschen Hand in Hand, um die zeitliche Ordnung zu zerstören“, sagte Hauptautor Hossein Taheri, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der UC Riverside in Marlan und Rosemary Bourns Hochschule für Ingenieure. „In unserer photonischen Plattform findet das System ein Gleichgewicht zwischen Gewinn und Verlust, um Zeitkristalle zu erzeugen und zu erhalten.“

Der rein optische Zeitkristall wird durch einen scheibenförmigen Resonator aus Magnesium-Fluorid-Glas mit einem Durchmesser von einem Millimeter realisiert. Als sie von zwei Laserstrahlen bombardiert wurden, beobachteten die Forscher subharmonische Spitzen oder Frequenztöne zwischen den beiden Laserstrahlen, die auf eine Unterbrechung der zeitlichen Symmetrie und die Bildung von Zeitkristallen hindeuteten.

Das UCR-geführte Team verwendete eine Technik namens Selbstinjektionsverriegelung der beiden Laser mit dem Resonator, um Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen zu erreichen. Signaturen des sich zeitlich wiederholenden Zustands dieses Systems können leicht im Frequenzbereich gemessen werden. Die vorgeschlagene Plattform vereinfacht daher die Untersuchung dieser neuen Phase der Materie.

Ohne die Notwendigkeit einer niedrigen Temperatur kann das System für Feldanwendungen außerhalb eines komplexen Labors bewegt werden. Eine solche Anwendung könnten hochgenaue Zeitmessungen sein. Da Frequenz und Zeit mathematisch invers zueinander sind, ermöglicht die Genauigkeit der Frequenzmessung eine genaue Zeitmessung.

„Wir hoffen, dass dieses photonische System in kompakten und leichten Hochfrequenzquellen mit überlegener Stabilität sowie in der präzisen Zeitmessung eingesetzt werden kann“, sagte Taheri.

Der offene Zugang Naturkommunikation Der Artikel trägt den Titel „All-optical dissipative Discrete Time Crystals“. Taheri wurde von Andrey B. Matsko vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, Lute Maleki von OEwaves Inc. in Pasadena, Kalifornien, und Krzysztof Sacha von der Jagiellonen-Universität in Polen an der Forschung beteiligt.