Zeitkristalle – eine neue Form der Materie?

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Für alle hier jene, die physikalisch etwas angehaucht sind, ist bekannt das wir in einer vierdimensionalen Raumzeit leben. Die ersten drei Dimensionen sind Länge, Breite und Höhe, bilden also ein ganz normales 3D Modell, dass auch aus gängiger Grafik- und Computersoftware bekannt ist. Die vierten Dimension ist die Zeit, die somit eigentlich vielmehr eine Hilfsdimension darstellt, die eine eindeutige Erfassung von Positionen erlaubt. 

2012 befasste sich der Physiknobelpreisträger Frank Wilczek, der am Massachusetts Institute of Technology beschäftigt ist mit sogenannten Zeitkristallen. Um zu verstehen, wobei es sich darum handelt, müssen wir zuerst unser Wissen über gewöhnliche Kristalle wiederholen.

Was sind Kristalle?

Ein Kristall ist grundsätzlich ein Festkörper, deren Atome nicht nur wirr herumschwirren. Ein ganz signifikantes Merkmal eines Kristalls ist somit seine geordnete Struktur. Dabei wird in der Wissenschaft unter einem Kristall nicht nur jener der im Bergwerk gefunden werden kann verstanden, sondern auch Kochsalz, Zucker, Minerale aber auch Eis. Interessant ist, dass wenn Wasser seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest ändert, also gefriert, ordnen sich die Atome regelmäßig an, also zwischen jedem Atom ist dann der Abstand gleich. Diese regelmäßige Anordnung wird in der Wissenschaft diskreten Symmetrie genannt, also eine Raumspiegelung.

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Wie lässt sich dieses Konzept nun auf einen Zeitkristall umwelzen?

Da in einem Kristall in den ersten drei Dimensionen die diskrete Symmetrie als erwiesen erscheint, überlegte der theoretische Physiker Wilczek, ob nicht auch in der vierten Dimension eine regelmäßige Anordnung, also ein Symmetriebruch möglich wäre. Betrachtet man diese Überlegungen von einem anderen Standpunkt wird konkret einfach nach einem periodischen Muster im Ablauf der Zeit gesucht. Wilczek begab sich also auf der Suche nach etwas vergleichbarem in der vierten Dimension. 

Das Problem allerdings ist, dass eine solche Struktur sich nie in Ruhe befinden würde und immer periodischen Abläufen folgen würde – was in concreto ein Perpetuum mobile ergeben würde – was aber nach den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich wäre. Denn ruft man sich die zwei Hauptsätze der Thermodynamik ins Bewusstsein, stellt man fest, dass ein damals vom indischen Astronom Lalla erstmals umschriebenes Perpetuum Mobile immer gegen jeweils einen Hauptsatz der Thermodynamik verstößt und somit physikalisch unmöglich ist. 

Das ernüchternde Ergebnis... oder doch nicht?

Diesen Grundsätzen angenähert kamen Haruki Watanabe und Masaki Oshikawa 2015 nach jahrelangen hitzigen Diskussionen zum Ergebnis, dass ein Systembruch in der vierten Dimension unmöglich sei. Allerdings sei diese Entscheidung auf Grundlage des thermodynamischen Gleichgewichts gefällt worden, was für ein Team aus Kalifornien ein Schlupfloch eröffnete. Noch bevor der bahnbrechende Artikel im Januar 2018 im Nature Fachjournal veröffentlicht wurde, hatten die Forscher bereits das Experiment im Labor faktisch verwirklicht.

Dabei gab es zwei Experimente. An der University of Maryland hatte das Team rund um Jiehang Zhang zehn Ionen mit einem Laser manipuliert, die sich in einer Magnetfalle befanden. Dabei konnten die Forscher mit dem Laserfeld das thermodynamische Gleichgewicht ausschalten.

Erstaunlicherweise folgten die Spins nicht dem zweiten Laser, sondern kehrten nach der doppelten Zeitdauer in ihren Ausgangszustand zurück. Beim zweiten Team erhöhte man die Anzahl der Spins in Diamanten erheblich und bestrahlte sie mit Mikrowellen. Im Wesentlichen wurden dabei ähnliche Erkenntnisse von zwei völlig unterschiedlichen Experimenten gewonnen, was somit belegt, dass ein Zeitkristall ein generelles Phänomen darstelle. Die Spins besitzen somit eine Art inneren Taktgeber, der unabhängig von äußeren Einflüssen die Spins in regelmäßigen Zeitabständen immer wieder in ihre Ausgangsposition zurückführt. Über eine Anwendung bei Quantencomputer wird bereits nachgedacht.

Quellen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Kristall#Eigenschaften 

https://de.wikipedia.org/wiki/4D  

http://www.spektrum.de/news/wie-erzeugt-man-einen-zeitkristall/1440322  

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Habt ihr von dieser Entdeckung schon gehört? Ich freue mich über eure Kommentare! :-)

euer @infinitelearning