Fysici hebben een zichtbaar, zelfondersteunend “tijdkristal” gecreëerd met behulp van draaiende vloeibare kristallen die zich in eindeloos herhalende patronen bewegen wanneer ze worden verlicht.
Stel je een klok voor die voor altijd draait zonder batterijen of bedrading, met wijzers die op hun eigen tempo blijven draaien. In een recente studie hebben fysici van de Universiteit van Colorado Boulder vloeibare kristallen, dezelfde materialen die in telefoonschermen worden aangetroffen, gebruikt om iets te bouwen dat dit idee weerspiegelt. Hun werk heeft een nieuwe vorm van wat bekend staat als een “tijdkristal” opgeleverd, een fase van materie waarin componenten zoals atomen of deeltjes in continue beweging blijven.
Hoewel tijdkristallen eerder zijn gemaakt, is deze versie de eerste die rechtstreeks kan worden bekeken, wat de deur kan openen voor praktische toepassingen. “Ze zijn direct onder een microscoop en zelfs onder speciale omstandigheden met het blote oog waar te nemen,” zei Hanqing Zhao, hoofdauteur van de studie en afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde van CU Boulder.
Zhao en Ivan Smalyukh, een professor in de natuurkunde en medewerker van het Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), publiceerden recentelijk hun bevindingen.
Voor hun experiment bereidde het team glazen cellen gevuld met vloeibare kristallen gemaakt van staafvormige moleculen die zich gedeeltelijk als vaste stoffen en gedeeltelijk als vloeistoffen gedragen. Wanneer ze onder specifieke omstandigheden worden belicht, beginnen deze moleculen te verschuiven en te draaien, met bewegingen die in herhalende sequenties verlopen. Onder een microscoop vertonen de monsters patronen die eruitzien als kleurrijke, onregelmatige strepen, en deze bewegingen kunnen uren aanhouden, wat het idee van een eindeloos draaiende klok oproept.
“Alles ontstaat uit niets,” zei Smalyukh. “Het enige wat je hoeft te doen is een lichtstraal te schijnen, en deze hele wereld van tijdkristallen komt tevoorschijn.”
Zhao en Smalyukh zijn leden van de Colorado-satelliet van het International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) met hoofdzetel aan de Hiroshima University in Japan, een internationaal instituut met als missies het creëren van kunstmatige vormen van materie en bijdragen aan duurzaamheid.
Kristallen in Ruimte en Tijd
Tijdkristallen klinken misschien als iets uit sciencefiction, maar ze zijn geïnspireerd op natuurlijk voorkomende kristallen, zoals diamanten of keukenzout. Nobelprijswinnaar Frank Wilczek stelde in 2012 het idee van tijdkristallen voor. Je kunt traditionele kristallen beschouwen als “ruimte-kristallen.” De koolstofatomen die een diamant vormen, bijvoorbeeld, vormen een roosterpatroon in de ruimte dat zeer moeilijk te verbreken is. Wilczek vroeg zich af of het mogelijk zou zijn om een kristal te bouwen dat even goed georganiseerd was, maar dan in de tijd in plaats van in de ruimte. Zelfs in hun rusttoestand zouden de atomen in een dergelijke staat geen roosterpatroon vormen, maar zich verplaatsen of transformeren in een eindeloze cyclus—zoals een GIF die voor altijd herhaalt.
Het oorspronkelijke concept van Wilczek bleek onmogelijk te realiseren, maar in de jaren die volgden hebben wetenschappers fasen van materie gecreëerd die er redelijk dichtbij komen. In 2021 gebruikten fysici bijvoorbeeld de quantumcomputer Sycamore van Google om een speciaal netwerk van atomen te creëren.
Dansen met Kristallen
In de nieuwe studie stelden Zhao en Smalyukh zich ten doel een soortgelijke prestatie te behalen met vloeibare kristallen. Smalyukh legde uit dat als je deze moleculen op de juiste manier samenknijpt, ze zo dicht bij elkaar komen dat ze knikken vormen. Opmerkelijk is dat deze knikken zich verplaatsen en zelfs, onder bepaalde omstandigheden, zich als atomen kunnen gedragen. “Je hebt deze draaitjes, en die zijn niet gemakkelijk te verwijderen,” zei Smalyukh. “Ze gedragen zich als deeltjes en beginnen met elkaar te interacten.”
In de huidige studie hebben Smalyukh en Zhao een oplossing van vloeibare kristallen tussen twee stukken glas geplaatst die waren gecoat met kleurstoffen. Op zichzelf bleven deze monsters meestal stil. Maar toen de groep ze met een bepaalde soort licht bestraalde, veranderden de kleurstofmoleculen van oriëntatie en knijpden ze de vloeibare kristallen samen. In het proces werden duizenden nieuwe knikken gevormd, die ook begonnen te interageren na een ongelooflijk complexe reeks stappen.
Deze tijdkristallen zouden verschillende toepassingen kunnen hebben. Overheden zouden bijvoorbeeld deze materialen aan biljetten kunnen toevoegen om ze moeilijker te vervalsen—als je wilt weten of dat $100-biljet echt is, schijn dan gewoon een licht op het “tijd-watermerk” en kijk naar het patroon dat verschijnt. Door verschillende tijdkristallen te stapelen, kan de groep zelfs nog ingewikkeldere patronen creëren, wat ingenieurs de mogelijkheid zou kunnen geven om enorme hoeveelheden digitale gegevens op te slaan.
“We willen momenteel geen limiet stellen aan de toepassingen,” zei Smalyukh. “Ik denk dat er kansen zijn om deze technologie in allerlei richtingen verder te ontwikkelen.”
