Ein Zeitkristall ist eine periodische Struktur in Zeit und Raum.
Es erweitert die Idee des Kristalls in die Zeitdimension, die einst als unmöglich galt.
Die Idee einer solchen Struktur wurde durch vorgeschlagen Frank Wilczek in 2012 . Demnach ist es möglich, eine Struktur zu entwerfen, die aus einer Gruppe von Teilchen besteht, die sich periodisch bewegen und in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und einen "Zeitkristall" bilden würden. Der Ausdruck wird aus dem geschmiedet, was in einem "klassischen" Kristall beobachtet wird, dessen Atomstruktur eine Wiederholung eines Musters in verschiedenen Raumrichtungen zeigt. In einem Zeitkristall hingegen wiederholt sich das Muster im Laufe der Zeit periodisch wie ein Oszillator.
Nach Wilczek sollte diese Idee jedoch von der fortwährenden Bewegung (die durch die Gesetze der Physik verboten ist) unterschieden werden, da der zeitliche Kristall keine Energie emittiert, insbesondere nicht durch Strahlung seiner Rotationsenergie. Eine solche Konstruktion kann jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht existieren .
Auch kann nur eine externe periodische Anregung einen zeitlichen Kristall erscheinen lassen, der jedoch entgegen dem Satz von Frank Wilczek Energie absorbiert .
Die Idee der zeitlichen Translationssymmetrie besteht darin, dass die Gesetze der Physik (oder eines bestimmten Systems) unveränderlich sind, wenn sie sich in der Zeit bewegen, d. H. Sie bleiben in der Zukunft oder in der Vergangenheit gleich. Diese Symmetrie führt zur Energieeinsparung.
Raumkristalle, dh Kristalle im üblichen Sinne, brechen die Symmetrie durch räumliche Translation: Sie sind periodische Anordnungen von Atomen oder Molekülen und sie sind entgegen den Gesetzen der allgemeinen Physik und im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten nicht durch Translation oder willkürliche Rotation invariant oder Gase.
Zeitliche Kristalle brechen die Symmetrie durch zeitliche Translation auf ähnliche Weise wie die diskrete Symmetrie durch räumliche Translation . Zum Beispiel können sich die Moleküle einer Flüssigkeit, die sich auf der Oberfläche eines Kristalls verfestigt, mit den Molekülen des Kristalls ausrichten, jedoch mit einer weniger symmetrischen Anordnung als die des Kristalls (zum Beispiel mit größerem Abstand): Die anfängliche Symmetrie ist gebrochen. Diese Symmetrieunterbrechung hat drei wichtige Eigenschaften:
Zeitliche Kristalle brechen die Symmetrie durch Zeitverschiebung und wiederholen sich periodisch im Laufe der Zeit, obwohl die Gesetze des Systems durch Zeitverschiebung unveränderlich sind. Die derzeit untersuchten zeitlichen Kristalle brechen die Symmetrie durch diskrete zeitliche Translation : Sie sind Systeme, die durch eine periodische äußere Kraft gezwungen werden und mit einem Bruchteil der Kraftfrequenz schwingen . Die anfängliche Symmetrie ist daher bereits eine diskrete Symmetrie ( ) und keine kontinuierliche Symmetrie ( ).
Viele Systeme zeigen ein spontanes zeitliches Symmetriebrechungsverhalten: Konvektionszellen , oszillierende chemische Reaktionen, aeroelastische Instabilitäten und subharmonische Reaktionen auf eine periodische Kraft wie Faraday-Instabilitäten und NMR-Spin-Echos.
Zeitliche Kristalle (bekannt als Floquet) sind jedoch insofern einzigartig, als sie einer strengen Definition des Symmetriebrechens durch diskrete zeitliche Translation folgen :
Darüber hinaus ist das Aufbrechen der Symmetrie zeitlicher Kristalle das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen den Elementen des Systems, dh eines kollektiven Prozesses , wie bei einem räumlichen Kristall.
Im Oktober 2016 sagten Forscher der University of Maryland , sie hätten den ersten diskreten Zeitkristall (DTC) aus einer Kette von zehn 171 Yb + ( Ytterbium ) -Ionen in einer Paul-Falle hergestellt . Einer der beiden Spinzustände wurde durch ein Paar Laserstrahlen ausgewählt . Die Forscher beobachteten periodische und synchronisierte Schwingungen der untersuchten Spins. Im Gegensatz zu normalen Kristallatomen, die stabil sind (d. H. Gegen Änderungen des Raums resistent sind), können zeitliche Kristalle nicht im thermischen Gleichgewicht existieren (in einem unausgeglichenen System vom Typ Floquet, das einer periodischen Anregung ausgesetzt ist, die zeitliche Korrelationen bei Frequenzen unter Harmonischen der Anregung ergibt) und erfordern daher, ihre Schwingungen aufrechtzuerhalten, einen externen Energiebeitrag, der die Schwingungen des zeitlichen Kristalls unter intrinsischen Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts erscheinen lässt. Diese Entdeckung ist für das Quantencomputing von Interesse .