Het tijdkristal oogt als een doodgewoon zwart glimmend steentje, de tijdskristallisatie zit in de reactie op laserpulsen.
Het tijdkristal oogt als een doodgewoon zwart glimmend steentje, de tijdskristallisatie zit in de reactie op laserpulsen. © Harvard University

Sciencefiction maar dan echt: onderzoekers maken kristal van tijd

'Dit is seriously cool'

Amerikaanse onderzoekers hebben voor het eerst een kristal gemaakt dat geen rooster van atomen in de ruimte is, maar een rooster in de tijd.

Nobelprijswinnaar Frank Wilczek (2004, natuurkunde) was op Twitter afgelopen week nauwelijks te houden over de nieuwe cover van tijdschrift Nature. Tijdkristallen, de eerste waarnemingen van een exotische materievorm, stond er. Op de foto een reeks identieke edelstenen met een steeds iets verspringend digitaal klokje erin. Plus een verwijzing naar twee researchartikelen, een commentaar en een groot nieuwsverhaal over het nieuwste van het nieuwste in de natuurkunde: kristallen waarvan de atomen niet in de ruimte geordend zijn, maar in de tijd. Het klinkt als Doctor Who, maar het is echte natuurkunde, geen sciencefiction, schrijft het topblad.

Een duizelingwekkend concept, maar als er íemand snapt waar het over gaat is het Wilczek zelf. Hij was het die in 2012 een ogenschijnlijk krankzinnig theoretisch fysisch idee in een artikel samenvatte. Volgens de hedendaagse natuurkunde, schreeft hij, zijn ruimte en tijd één geheel. Welnu, als er dan kristallen bestaan van atomen die netjes op een regelmatig rooster in de ruimte liggen, zijn er dan niet ook kristallen waarvan de atomen op keurige tijdstippen liggen?

De vraag stellen was hem beantwoorden. Laat dat maar aan een theoreticus als Wilczek over. Ze bestaan, was zijn conclusie, die tijdkristallen: een soort natuurlijk tikkende horloges die nooit opgewonden hoeven te worden. Critici vreesden nog even dat dit zou neerkomen op gratis energie, wat een doodzonde is in de natuurkunde. Maar Wilczek - tegenwoordig in Kopenhagen maar destijds nog in Boston bij MIT - repareerde ook die onvolkomenheid en sindsdien was het wachten op een eerste experiment waarin een tijdkristal een feit bleek.

Dat is nu uitgevoerd aan twee Amerikaanse universiteiten, in Maryland en aan Harvard, Massachussetts. De eerste groep deed een proef met tien losse atomen van het element ytterbium die in een magnetisch systeem gevangen zijn met een bepaalde draairichting. De andere groep bekijkt een diamantsysteem waarin miljoenen stikstofatomen vastzitten, die met lasers aan het tollen worden gebracht.

Op foto's oogt zo'n tijdkristal als een doodgewoon glimmend zwart steentje. De tijdkristallisatie zit in het gedrag ervan. In beide gevallen laten de experimenten zien dat de spinnende atomen een collectieve dans uitvoeren, die na verloop van tijd steeds opnieuw begint. Helemaal zonder uitwendige energie gaat dat niet. Er moet met lasers aan geschud blijven worden. Maar het systeem danst in zijn eigen tempo, niet dat van de lasers, laten de proeven zien.

Het is alsof je aan een pudding schudt die daarna in een eigen tempo gaat slingeren

onderzoeker Norman Yao in Nature

Een teken dat er iets bijzonders gebeurt, zegt onderzoeker Norman Yao in Nature. 'Het is alsof je aan een pudding schudt die daarna in een eigen tempo gaat slingeren.' De Leidse theoreticus Carlo Beenakker vergelijkt het met een stroboscoop: 'Op gezette tijden zie je een kristal.' Zijn collega en Spinozaprijswinnaar Jan Zaanen: 'Ik heb eerder gezegd dat dit nergens toe zou leiden, maar dit is seriously cool.'

Inmiddels lijkt het thema ook de industrie niet onberoerd te laten. Vorig jaar lieten theoretici van Microsoft als eerste zien dat een systeem van spinnende atomen de periodieke dans van een tijdkristal zou moeten uitvoeren. Als dat inderdaad zo blijkt te werken, zou dat goed nieuws kunnen zijn voor de jacht op betrouwbare quantumcomputers, waarvan de bits minder kwetsbaar zijn voor verstoringen.

Via kristallisatie in de tijd kunnen de opgeslagen quantumbits misschien veel stabieler te maken zijn, voorziet Chetan Nayak van Microsofts quantumlab Station Q in een commentaar in Nature.