Onderzoekers van de Universiteit van Colorado Boulder hebben een belangrijke doorbraak gerealiseerd in de fysica van gecondenseerde materie door zichtbare tijdkristallen te creëren met behulp van vloeibare kristallen. Deze innovatieve methode maakt directe observatie van tijdkristallen onder standaard laboratoriumomstandigheden mogelijk, wat een aanzienlijke afwijking is van eerdere methoden die complexe kwantumsystemen vereisten.
De studie, getiteld "Space-time crystals from particle-like topological solitons", werd op 4 september 2025 gepubliceerd in Nature Materials. Tijdkristallen zijn een unieke materiefase die periodieke beweging in de tijd vertoont zonder energie-input, wat traditionele concepten van evenwicht uitdaagt. In tegenstelling tot ruimtelijke kristallen, die herhalende patronen in de ruimte hebben, handhaven tijdkristallen een dynamische, op tijd gebaseerde orde.
Het onderzoeksteam, onder leiding van afstuderende student Hanqing Zhao en professor Ivan Smalyukh, gebruikte staafvormige vloeibare kristalmoleculen in glazen cellen. Door deze moleculen bloot te stellen aan specifieke lichtbronnen, induceerden ze aanhoudende bewegingspatronen die leken op tijd-evoluerende structuren. Deze patronen bleven urenlang stabiel zonder externe energie-input, wat de robuustheid van de tijdkristalfase aantoont.
De vorming van "kinks", gelokaliseerde vervormingen in de moleculaire rangschikking, speelde een cruciale rol in dit fenomeen. Onder lichtinvloed oefenden kleefmoleculen op het glas mechanische krachten uit op de vloeibare kristallen, waardoor deze kinks ontstonden, bewogen en op complexe wijze interageerden. Dit deeltjesachtige gedrag zorgde ervoor dat de vloeibare kristallen nauwkeurig gechoreografeerde sequenties vertoonden.
Deze vooruitgang opent deuren naar potentiële toepassingen in diverse velden, waaronder ultraveilige authenticatiemaatregelen en geavanceerde gegevensopslagtechnologieën. Het vermogen om tijdkristallen direct onder een gewone microscoop te observeren, vereenvoudigt experimentele opstellingen en effent de weg voor de integratie van dit fenomeen in praktische technologieën. De inspiratie voor dit onderzoek vindt zijn oorsprong in het visionaire voorstel van Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012, die het bestaan van tijdkristallen als een nieuwe materiefase suggereerde die temporele symmetrie breekt.
In 2021 creëerde een team van natuurkundigen een netwerk van atomen met tijdkristallijne kenmerken met behulp van Google's Sycamore kwantumprocessor. De innovatie van de CU Boulder-groep onderscheidt zich door het benutten van klassieke vloeibare kristallen, waardoor directe observatie haalbaar wordt en experimentele opstellingen aanzienlijk worden vereenvoudigd. Dit vertegenwoordigt een cruciale mijlpaal in het overbrengen van de ongrijpbare belofte van tijdkristallen van abstracte kwantumfenomenen naar praktische, tastbare technologieën.
De door Zhao en Smalyukh ontwikkelde experimentele opstelling omvatte het tussen sandwicheren van een oplossing van vloeibare kristallen tussen twee glasplaten, elk bedekt met specifieke kleefmoleculen die dynamisch reageren op licht. Wanneer deze worden verlicht, ondergaan de kleefmoleculen moleculaire heroriëntatie, waardoor fysieke beperkingen aan de vloeibare kristalmatrix worden opgelegd, wat op zijn beurt de spontane opkomst van de eerder genoemde kinks triggert.
Vanuit een technisch oogpunt fungeren deze topologische soliton - stabiele, knoopachtige configuraties binnen het vloeibare kristalveld - als discrete, quasi-deeltjesachtige entiteiten waarvan de interacties collectief gedrag vertonen. Deze deeltjesachtige benadering maakt een intuïtief begrip van complexe temporele ordening mogelijk, gegrond in de klassieke fysica, en overbrugt de voorheen uitdagende kloof tussen kwantum tijdkristallen en macroscopisch waarneembare effecten.
De potentiële toepassingen van dergelijke tijdkristallen zijn enorm en gevarieerd. Het insluiten van deze materialen in valuta kan bijvoorbeeld anti-vervalsingstechnologieën revolutioneren. In tegenstelling tot traditionele watermerken of hologrammen, zou het licht-geactiveerde, tijd-evoluerende patroon van een "tijdwatermerk" buitengewoon moeilijk te repliceren zijn. Cruciaal is dat de schijnbare eenvoud van het genereren van deze tijdkristallen - simpelweg door het systeem te verlichten met een specifieke lichtgolflengte onder bescheiden omstandigheden - de toegankelijkheid en schaalbaarheid van deze aanpak benadrukt.
De onderzoekers benadrukken dat er geen extreme omgevingen of exotische materialen nodig zijn; in plaats daarvan komt het fenomeen van nature voort uit de inherente eigenschappen van vloeibare kristallen wanneer deze worden gekoppeld aan optisch responsieve kleefstoffen. Naast technologische implicaties verrijkt deze ontdekking de fundamentele fysica door een tastbare manifestatie te bieden van tijd-translatie symmetriebreking in een klassiek systeem. Het idee dat materie een niet-evenwichtige stabiele toestand kan handhaven met periodiek temporeel gedrag, daagt langgekoesterde aannames uit en zal waarschijnlijk nieuwe theoretische modellen en experimentele onderzoeken inspireren.
Zhao en Smalyukh zijn verbonden aan het International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) met hoofdkantoor in Hiroshima, Japan. Hun gezamenlijke inspanningen zijn een voorbeeld van de steeds mondialere aard van baanbrekend onderzoek, waarbij expertise uit verschillende continenten wordt gecombineerd om de onontgonnen gebieden van ruimte-tijd fysica te verkennen.