Zwei Kristalle wurden erstmals erfolgreich miteinander verbunden

Physiker haben gerade einen erstaunlichen Schritt in Richtung Quantengeräte gemacht, die aussehen wie etwas aus Science-Fiction.

Zum ersten Mal wurden isolierte Gruppen von Teilchen, die sich wie seltsame Materiezustände verhalten, die als Zeitkristalle bekannt sind, zu einem einzigen ausgeklügelten System verbunden, das für Quantencomputer unglaublich nützlich sein könnte.

Nach der ersten Beobachtung der Wechselwirkung zwischen zwei Zeitkristallen, die vor zwei Jahren in einer Veröffentlichung ausführlich beschrieben wurde, ist dies der nächste Schritt in Richtung der Möglichkeit, Zeitkristalle für praktische Zwecke wie die Quanteninformationsverarbeitung nutzbar zu machen.

Zeitkristalle, die erst vor einigen Jahren im Jahr 2016 entdeckt und offiziell bestätigt wurden, galten einst als physikalisch unmöglich. Es ist eine Materiephase, die normalen Kristallen sehr ähnlich ist, aber eine zusätzliche, sehr seltsame und besondere Eigenschaft hat.

In gewöhnlichen Kristallen sind die Atome in einer festen dreidimensionalen Gitterstruktur angeordnet, wie beispielsweise dem Atomgitter eines Diamanten oder eines Quarzkristalls. Diese sich wiederholenden Klammern können in ihrer Konfiguration variieren, aber jede Bewegung, die sie zeigen, kommt ausschließlich von äußeren Stößen.

In Zeitkristallen verhalten sich Atome etwas anders. Sie zeigen Bewegungsmuster in der Zeit, die nicht einfach durch einen äußeren Impuls oder Impuls erklärt werden können. Diese Schwingungen – als „Tick“ bezeichnet – sind auf eine regelmäßige und festgelegte Frequenz fixiert.

Theoretisch schlagen Zeitkristalle in ihrem niedrigstmöglichen Energiezustand – dem sogenannten Grundzustand – und sind damit über lange Zeiträume stabil und kohärent. Daher wiederholen sich Zeitkristalle in Raum und Zeit, während sich die regelmäßige Kristallstruktur im Raum wiederholt, was die permanente Grundzustandsbewegung zeigt.

„Jeder weiß, dass Perpetuum mobile unmöglich sind“, sagt der Physiker und Hauptautor Samuli Ooty von der Lancaster University in Großbritannien.

„In der Quantenphysik ist das Perpetuum Mobile jedoch in Ordnung, solange wir unsere Augen schließen. Indem wir durch diesen Schlitz schlüpfen, können wir Zeitkristalle herstellen.“

Die Zeitkristalle, mit denen das Team arbeitete, bestehen aus Quasiteilchen, den sogenannten Magnonen. Magnonen sind keine echten Teilchen, sondern bestehen aus einer kollektiven Anregung eines sich drehenden Elektrons, wie eine Welle, die sich durch ein Netzwerk von Spins ausbreitet.

Magnonite entstehen, wenn Helium-3 – ein stabiles Heliumisotop mit zwei Protonen, aber nur einem Neutron – auf ein Zehntausendstel Grad des absoluten Nullpunkts abgekühlt wird. Dadurch entsteht der sogenannte Superpass B, eine viskose Niederdruckflüssigkeit.

In diesem Medium bildeten sich Zeitkristalle als räumlich getrennte Bose-Einstein-Kondensate, die jeweils aus einer Billion Magnon-Quasiteilchen bestanden.

Ein Bose-Einstein-Kondensat besteht aus Bosonen, die nur auf einen kleinen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind (aber nicht bis zum absoluten Nullpunkt, an dem die Atome aufhören, sich zu bewegen).

Dadurch sinken sie in einen energiearmen Zustand, bewegen sich sehr langsam und kommen so weit zusammen, dass sie sich überlappen, was zu einer Atomwolke mit hoher Dichte führt, die wie ein einzelnes „Superatom“ oder eine Materiewelle wirkt.

Als sich die beiden Kristalle berühren durften, tauschten sie Magnete aus. Dieser Austausch wirkte sich auf die Schwingung jedes Zeitkristalls aus und schuf ein einzelnes System mit der Option, in zwei getrennten Zuständen zu arbeiten.

In der Quantenphysik existieren Dinge, die mehr als einen Zustand haben können, in einer Mischung dieser Zustände, bevor sie durch eine klare Analogie überlagert werden. Ein Zeitkristall, der in einem Zweizustandssystem arbeitet, bietet also reichhaltige neue Möglichkeiten als Grundlage für quantenbasierte Technologien.

Zeitkristalle sind eine gute Möglichkeit, sie als Qubits zu verwenden, da zunächst eine Vielzahl von Hindernissen zu lösen sind. Aber die Stücke begannen zu verrutschen.

Anfang dieses Jahres gab ein anderes Team von Physikern bekannt, dass es ihnen gelungen sei, Zeitkristalle bei Raumtemperatur herzustellen, die nicht von ihrer Umgebung isoliert werden müssten.

Komplexere Wechselwirkungen zwischen Zeitkristallen und ihre präzise Steuerung müssen weiterentwickelt werden, ebenso wie die Überwachung von wechselwirkenden Zeitkristallen ohne die Notwendigkeit unterkühlter Flüssigkeiten. Aber Wissenschaftler sind optimistisch.

„Es stellt sich heraus, dass das Zusammenfügen der beiden wunderbar funktioniert, auch wenn die Zeitkristalle gar nicht da waren“, sagt Otti. „Und wir wissen bereits, dass es auch bei Raumtemperatur vorhanden ist.“

Die Suche wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.

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