Vrijdag 01/07/2022

NieuwsWetenschap

Eindelijk gelukt: fysici maken ‘onmogelijke’ tijdkristallen in het lab

Beeld ter illustratie. Beeld Thinkstock
Beeld ter illustratie.Beeld Thinkstock

Lang dachten natuurkundigen dat ze niet konden bestaan, tot er onlangs plots twee opdoken in het lab: tijdkristallen, esoterische bouwsels die eeuwig blijven bewegen. En dat zonder batterij of stekker in het stopcontact.

George van Hal

“Dit was een wereldwijde race. Samen met Google zijn we als eerste over de eindstreep gegaan”, zegt onderzoeker Tim Taminiau van QuTech over het tijdkristal dat hij met collega’s bouwde in het lab van onderzoeksinstituut QuTech in Delft en die van hun concurrenten bij techgigant Google in de Verenigde Staten. Beide kristallen hebben bovendien hun eigen primeur. “Dat van Google is het grootste – het bestaat uit twee keer zoveel qubits – en dat van ons leeft zo’n tienmaal langer.”

Dat klinkt bijzonder, maar… tijdkristallen? Qubits? Net zoals je beter niet zonder warming-up aan een marathon kunt beginnen, is het ook beter een klein stapje terug te doen voor we het meest vooruitgeschoven front van de moderne natuurkunde betreden.

Of het nu een fonkelende diamant is of een ordinair korreltje tafelzout, kijk diep in hun binnenste en je ontdekt een serene orde. Ver voorbij de menselijke maat, een factor tienduizend kleiner nog dan een coronavirus, betreed je de wereld van atomen, de bouwsteentjes van alles om ons heen. In kristallen zoals diamant en zout zitten al die atomen in een keurig raster met tussen elk deeltje evenveel afstand – een kristalrooster. ‘Gewone’ kristallen zijn daarmee in essentie ruimtekristallen, geordend in de drie ruimtelijke dimensies: boven/onder, links/rechts, voor/achter.

Zoals de wijzers van een klok

In de wereld van de natuurkunde is men gewend niet te denken in drie dimensies, maar in vier. Met daarin ook een dimensie van tijd: eerder/later. Niet vreemd dus dat fysicus en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012, terwijl hij college stond te geven over ‘gewone’ kristallen, plots dacht: kan dit niet ook in de tijd?

In tijdkristallen zouden deeltjes geen regelmatige posities hebben, maar regelmatig gedrag in de tijd vertonen. Ze zouden bewegen en na een vaste periode weer in hun begintoestand terugkeren. Precies zoals de wijzers van een klok: die staan na 12 uur ook weer op exact dezelfde plek.

Maar een klok is geen tijdkristal. Om die draaiende te houden moet je er continu energie in stoppen. Een batterij, een radarwerkje dat je af en toe op moet draaien, een stekker in een stopcontact – zonder werkt het niet. De tijdkristallen van Wilczek hebben dat niet nodig. “Ze zouden eeuwig blijven bewegen, zonder dat je er energie aan toe hoeft te voegen”, zegt Taminiau.

Eeuwige beweging, zonder dat het energie kost? Dat riekt naar een perpetuum mobile, een dwaaltechnologie die vooral populair is onder zolderkameruitvinders: een machine die eeuwig blijft bewegen en waarmee je andere machines kunt aanzwengelen. Een gratis eeuwigdurende energiebron. Bij de tijdkristallen van Wilczek is dat onmogelijk, zegt Taminiau. “Er gaat geen energie in, maar het komt er óók niet uit.”

Desondanks gingen de alarmbellen bij veel fysici af, nadat Wilczek en collega Alfred Shapere het idee in 2012 hadden gepubliceerd in natuurkundeblad Physical Review Letters. In 2014 volgde daarom de weerlegging, gepubliceerd in hetzelfde tijdschrift: tijdkristallen konden nooit bestaan.

Invloed van buitenaf

Totdat een andere onderzoeksgroep er per abuis alsnog eentje ontdekte. Hun ‘pi spin-glass phase’, zoals ze het oorspronkelijk noemden, bleek bij nader inzien een tijdkristal. Het basisingrediënt? Een rij van aan elkaar gekoppelde qubits, een variant op de ‘gewone’ bit, de nullen en enen van informatie. Ze beschreven hoe zulke qubits konden omklappen wanneer je er met een laser op schijnt: ‘001010’ wordt dan bijvoorbeeld plots ‘110101’. Dat omklappen vertoont een vaste periode, en – belangrijk – de qubits verbruiken daarbij netto geen energie uit de laserstraal. Ze zitten dus, zogezegd, niet in het stopcontact. Samen vormen ze op die manier een tijdkristal dat, zolang de laser aan blijft staan, beweegt als een klok die eeuwig tikt: 001010, *tik* 110101, *tak* 001010, *tik* 110101, *tak* 001010, ad infinitum.

De conclusie: tijdkristallen ontstaan in tegenstelling tot ‘gewone’ kristallen nooit spontaan. Je hebt iets nodig, een invloed van buitenaf, een laserstraal, of iets vergelijkbaars. Je moet ze maken.

De rij verbonden qubits uit 2016 werd theoretisch verbeterd en uiteindelijk ook in het lab gebouwd, maar toch vormde dat nog geen definitief bewijs voor tijdkristallen. Ze konden ook iets anders zijn dat – als je het experiment lang genoeg zou laten lopen – vanzelf zou stoppen met bewegen.

De vraag was alleen: hoe zie je het verschil? Ook échte tijdkristallen zullen in het lab na verloop van tijd namelijk uitdoven. In dat geval niet om fundamentele redenen, maar omdat uit zo’n experiment altijd energie naar de buitenwereld lekt. Via een omweg konden zowel Google als QuTech alsnog bewijzen een echt kristal te hebben gebouwd.

Filosofische impact

QuTech en Google zetten daarvoor hun quantumcomputers in, de voorlopers van een rekenbeest dat bepaalde sommen veel sneller kan oplossen. Sommige kenners dromen onder meer dat die computers speciaal op de persoon toegespitste medicijnen kunnen ontwerpen, of materialen die het energieprobleem kunnen oplossen. “Dit demonstreert hoe je zo’n quantumcomputer op een nieuwe manier kunt gebruiken”, zei Gabriel Perdue van het Amerikaanse Fermilab, zelf niet betrokken bij het onderzoek, tegen tijdschrift Popular Science.

Race afgesloten, tijdkristal gebouwd… en nu? “Wat we hiermee kunnen, is een open vraag”, zegt Taminiau. Ideeën zijn er wel: tijdkristallen zijn mogelijk handig voor de bouw van betere quantumcomputers, of als heel gevoelige sensoren. “Maar belangrijker is wat we hiervan leren over hoe de natuur werkt.”

En dan is er nog de filosofische impact. Waar fysici ruimte en tijd al decennia op een hoop vegen, weet iedereen dat er eigenlijk een verschil moet bestaan. “Je kunt immers wel achteruit door de ruimte, maar niet terug in de tijd”, zegt Taminiau. Dat tijdkristallen in tegenstelling tot de gewone varianten niet in de natuur ontstaan, illustreert dat verschil. “Dit leert ons iets over de diepere relatie tussen ruimte en tijd.”

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234