„Es tickt im Diamanten“ – Forscher erschaffen erstmals Zeit-Quasikristall

Physiker haben einen völlig neuen Materiezustand erzeugt – und das in einem Material, das härter kaum sein könnte: einem Diamanten. Erstmals gelang es, die winzigen Gitterfehlstellen im Kristall so anzuregen, dass sie nicht räumlich, sondern zeitlich geordnet schwingen. Das Ergebnis ist ein sogenannter Zeit-Quasikristall – ein Phänomen, das unser Verständnis von Zeit, Ordnung und Materie erweitert. Und das möglicherweise neue Maßstäbe setzt für Quantencomputer, ultrapräzise Sensoren oder atomgenaue Taktgeber.

Eine Ordnung, die der Zeit folgt

Klassische Kristalle wie Salz oder Quarz zeichnen sich durch regelmäßige Strukturen im Raum aus. Quasikristalle hingegen sind geordnet, aber nicht periodisch – sie folgen mathematischen Regeln, die nicht im klassischen Gittermaß bleiben. Bei einem Zeit-Quasikristall passiert das Gleiche – nur nicht im Raum, sondern in der Zeit. Er „tickt“ nicht im festen Takt, sondern in einer quasiperiodischen Abfolge.

Erstmals ist es einem Team der Washington University gelungen, einen solchen Zustand experimentell herzustellen. Sie nutzten sogenannte NV-Zentren im Diamant – atomgroße Leerstellen, die sich optisch steuern und auslesen lassen. Diese Gitterdefekte reagierten auf zwei Mikrowellenfrequenzen, deren Verhältnis dem Goldenen Schnitt entspricht. Genau dieser spezielle Mix erzeugte die neuartige Ordnung.

Was ist ein Zeitkristall?

Um Zeit-Quasikristalle zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf den Ursprung: Zeitkristalle. Ähnlich wie die Atome in einem Diamant räumliche Muster bilden, zeigen Teilchen in einem Zeitkristall wiederkehrende Muster in der Zeit. Sie wechseln in festem Rhythmus zwischen Zuständen – wie ein winziges Uhrwerk, das ohne Energiezufuhr tickt.

„Die Teilchen vibrieren bei konstanten Frequenzen – sie sind in vier Dimensionen kristallisiert: drei im Raum, eine in der Zeit“, erklärt Chong Zu von der Washington University. Zeitkristalle gelten als theoretisch unerschöpflich, in der Praxis jedoch als empfindlich. „Wir konnten hunderte Zyklen beobachten, bevor sie zerfielen – das ist beeindruckend“, sagt Zu.

Erstmals nachgewiesen wurden Zeitkristalle 2016 in Maryland. Das Team der WashU ging nun weiter – und schuf mit dem Zeit-Quasikristall eine völlig neue Phase der Materie: geordnet in der Zeit, aber nicht regelmäßig.

Gitterfehler als Quelle hochstabiler Schwingungen

Zurück zum Experiment: Die Forscher versetzten die NV-Zentren im Diamanten in Schwingung – nicht mit einem regelmäßigen, sondern einem quasiperiodischen Antrieb. Dabei zeigten sich sogenannte subharmonische Frequenzen, also Eigenfrequenzen des Systems, die klar im Messspektrum erkennbar blieben – selbst bei leichten Störungen.

Diese Frequenzen lassen sich nicht aus dem äußeren Takt allein ableiten. Das System entwickelte gewissermaßen einen eigenen, stabilen Zeitrhythmus – ein Hinweis auf eine neue Art von Ordnung, die in keinem Gleichgewichtssystem vorkommt.

Vielteilchenwechselwirkung schützt die Ordnung

Ein Grund für diese Stabilität liegt in der Dichte der NV-Zentren: Rund 4,5 Millionen dieser Defekte pro Milliliter interagieren miteinander. Die sogenannte Vielteilchenwechselwirkung sorgt dafür, dass das System nicht aus dem Takt gerät, wenn einzelne Spins gestört werden. Die Teilchen halten sich gegenseitig in Schach.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das DTQC-Verhalten robust gegenüber Störungen ist und durch die Vielteilchenwechselwirkung stabilisiert wird“, heißt es in der Studie.

Besonders stabil blieb der Zeit-Quasikristall bei langsameren Anregungen – etwa alle zwei Mikrosekunden. Dabei blieb die Ordnung über hunderte Zyklen hinweg erhalten. Das ist entscheidend, wenn aus dieser Forschung später messbare Technologien entstehen sollen.

Phase bleibt stabil – bis zu einem Grenzwert

Um zu prüfen, wie robust diese neue Materiephase ist, erstellte das Team ein sogenanntes Phasendiagramm. Damit lässt sich zeigen, wann die Ordnung kippt. Im Versuch blieb sie bis zu einem Störbereich von sieben Prozent erhalten – ein beachtlicher Spielraum. Erst bei stärkeren Abweichungen gingen die subharmonischen Muster verloren.

Nützlich für Technik, die auf Präzision angewiesen ist

Was auf den ersten Blick wie ein exotisches Forschungsfeld klingt, könnte in naher Zukunft sehr praktische Folgen haben. Denn ein stabiler Zeit-Quasikristall könnte als neue Art von Taktgeber dienen – mit mehreren überlagerten Frequenzen, hoher Genauigkeit und langer Stabilität.

Gerade in der Quantenmesstechnik, der Signalverarbeitung oder bei ultrapräzisen Magnetfeldsensoren könnten sich damit neue Möglichkeiten eröffnen – beispielsweise in der medizinischen Bildgebung oder Navigation.

Noch komplexere Ordnung durch zwei NV-Gruppen

Im nächsten Schritt unterteilte das Team die NV-Zentren in zwei Gruppen, die unterschiedlich angeregt wurden. Damit erzeugten sie eine noch höhere Symmetrie – eine sogenannte ℤ2 × ℤ2-Struktur. Das Ergebnis: Statt zwei Zeitzuständen zeigten sich nun drei. Die Ordnung blieb trotzdem erhalten.

In der Frequenzanalyse tauchten vier dominante subharmonische Peaks auf – ein deutliches Zeichen für eine neue Art kollektiver Dynamik.

Gegenseitige Stabilisierung durch kollektives Verhalten

Um zu klären, wie wichtig die Wechselwirkung zwischen den Gruppen ist, deaktivierten die Forscher sie im Experiment gezielt. Die Folge: Die Ordnung brach schneller zusammen. Offenbar schützt das gemeinsame Oszillieren der Gruppen das System besser vor äußeren Einflüssen.

Diese kollektive Stabilität könnte ein Schlüsselmerkmal zukünftiger Quanten-Technologien sein – vor allem dort, wo höchste Präzision gefragt ist.

Ein neuer Blick auf Zeit – mit praktischem Potenzial

Ob sich Zeit-Quasikristalle bald in Geräten wiederfinden, ist offen. Doch schon jetzt zeigen sie, wie sich Materie auf ganz neue Weise organisieren lässt – nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Und das nicht theoretisch, sondern ganz real: in einem Diamanten, im Labor, messbar.

Veröffentlicht wurde die Arbeit im Fachmagazin Physical Review X. Beteiligt waren neben der Washington University auch Teams vom MIT und von Harvard. Vieles an dieser Forschung klingt wie Science-Fiction – doch die Uhr des Quasikristalls hat längst zu ticken begonnen.

Kurz zusammengefasst:

• Zeit-Quasikristalle zeigen eine neuartige Ordnung in der Zeit statt im Raum und wurden erstmals experimentell in einem Diamanten erzeugt.
• Ihre stabile Schwingung entsteht durch quasiperiodische Anregung und Vielteilchenwechselwirkung innerhalb dicht gepackter NV-Zentren.
• Diese neue Materiephase könnte zukünftig präzise Anwendungen in Quantenmesstechnik, Signalverarbeitung und Sensorik ermöglichen.

Übrigens: Nicht nur Diamanten zeigen neue Ordnung in der Zeit – Forscher haben jetzt auch Schrödingers berühmte Katze im Labor „zum Leben erweckt“. Was das mit stabileren Quantencomputern zu tun hat, erklärt unser Artikel.

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