Er is een nieuwe toestand van materie gevonden die afhankelijk is van tijd.

© Claus Lunau

Tijdkristallen geven computers eeuwige rekenkracht

Ze veranderen van vorm, hebben een eigen ritme en kunnen in feite niet bestaan. De wetenschap heeft bizarre tijdkristallen gemaakt waarmee computers razendsnel kunnen worden, zonder gebruik van energie.

8 februari 2018 door Martin Bernth & Esben Schouboe

Stel je eens een bal voor die op de grond ligt. 

Zoals alle voorwerpen heeft deze bal eigenschappen die zijn driedimensionale vorm beschrijven: hij is kogelrond en heeft een bepaalde diameter, die de omtrek bepaalt – precies zoals alle andere ronde voorwerpen. 

Maar toch is deze bal volslagen anders, want de vorm hangt mede af van de vierde dimensie: de tijd. Om de tien seconden neemt de bal helemaal vanzelf een andere vorm aan, bijvoorbeeld een ei, om tien seconden later weer in een bal te veranderen. Dit is een vierdimensionale bal.

Ben jij ook zo gek op nieuwe technologie? Lees dan meer in Wetenschap in Beeld.

Tot voor kort zou elke natuurkundige de mogelijkheid van zo’n bal hebben ontkend, want dat druist in tegen de fundamentele natuurkundewetten. 

Maar nu hebben twee onderzoeksteams los van elkaar weten te bewerkstelligen dat deeltjes in piepkleine kristallen vanzelf in de maat draaien en van patroon veranderen. 

De kristallen hebben een nieuwe toestand van materie: er is geen sprake van vast, vloeibaar, gas of plasma, de toestand hangt af van de tijd. 

Tijdkristallen, zoals ze zijn gaan heten, kunnen de sleutel zijn die computeringenieurs nodig hebben om toekomstige quantumcomputers stabiel en vooral zeer energiebesparend te maken.

Het perpetuum mobile bestaat

Tijdkristallen bestonden aanvankelijk alleen in het hoofd van Frank Wilczek, winnaar van de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Zijn idee ging uit van heel gewone driedimensionale kristallen, zoals die van zout of ijs.

Op het niveau van atomen zijn kristallen interessant voor natuurkundigen omdat ze tegen de zogeheten ruimtelijke symmetrie indruisen. 

Die vind je bijvoorbeeld in een kopje water: de watermoleculen vormen een homogeen patroon, wat wil zeggen dat steekproeven van verschillende plekken in het kopje exact hetzelfde moleculenpatroon vertonen. 

Maar als het water bevriest tot ijs, zullen de ijsmoleculen zich schikken in een patroon van vaste eenheden die ruimtelijk asymmetrisch zijn. Daardoor zullen twee willekeurige steekproeven uit een ijskristal niet hezelfde patroon te zien geven.

Denk maar aan twee rollen behang – één effen en één bedrukt – waaruit je een stuk knipt. 

Waar je schaar ook heengaat in het effen behang, de stukken zullen er hetzelfde uitzien, maar twee stukken behang met een motief zijn zelden 100 procent identiek.

Toen Frank Wilczek die kristalstructuren in 2012 bestudeerde, kwam hij op een idee: als er nu eens stoffen zijn die niet alleen ruimtelijk asymmetrisch zijn als kristallen, maar ook periodiek asymmetrisch? Dat zou betekenen dat een object dat geen energie krijgt of kwijtraakt, andere eigenschappen kan aannemen doordat de tijd verstrijkt.

 In het voorbeeld met de rollen behang zou het patroon in een stuk periodiek asymmetrisch behang dus niet afhangen van waar je er een stuk uit knipt, maar wanneer je dat doet.

Wilczeks collega’s waren gefascineerd, maar ook wantrouwend. Deeltjes die door de tijd heen vanzelf veranderen druisen in tegen een basisbeginsel in de natuurkunde: alle energie in het heelal is constant. 

Dat wil zeggen dat energie dus nooit kan ontstaan of verdwijnen, maar alleen omgezet wordt van de ene in de andere vorm, zoals van licht in warmte. 

Als Wilczeks tijdkristallen zonder toevoeging van energie van vorm veranderen, moeten ze energie aanmaken. 

Tijdkristallen zouden dus perpetua mobilia zijn – en die lijken onmogelijk.

Tijdkristal stuit op weerstand

In 2015 deden twee onderzoekers van de University of California en The University of Tokyo ogenschijnlijk definitief afstand van de onmogelijke eeuwigheidsmachines door theoretisch te bewijzen dat tijdkristallen volgens de natuurkundewetten niet kunnen bestaan in een thermisch evenwicht.

In een thermisch evenwicht kan een voorwerp geen warmte krijgen of afstaan. Warmte is natuurkundig gezien een maat voor de bewegingsenergie van deeltjes, dus bij een thermisch evenwicht wisselt een object geen beweging met zijn omgeving uit. 

En tijdkristallen bewogen alleen als de omgeving ertegen ‘duwde’, zo leek het. De conclusie: tijdkristallen kunnen niet zonder hulp van buitenaf van vorm veranderen. En dat was juist de basis van Wilczeks idee.

Maar andere natuurkundigen gaven het niet op. Wie weet kunnen tijdkristallen toch bestaan – niet in een thermisch evenwicht, maar in een toestand van onbalans. 

Al jaren bestuderen quantumfysici het verschijnsel many-body localization, dat optreedt als een verzameling atomen zich niet bevindt in een thermisch evenwicht. In zo’n toestand zijn atomen onzichtbaar verbonden en kunnen ze toch invloed op elkaar uitoefenen.

In een vat met lucht zullen de atomen normaal de ruimte gelijkelijk innemen en kriskras door elkaar bewegen. 

Met behulp van many-body localization kunnen atomen elkaar echter beïnvloeden en zich dan aan de ene kant van het vat verzamelen, of in een bepaald patroon bewegen.

Onmogelijkheid wordt realiteit

In een proef gedroegen kleine deeltjes in een diamant zich als tijdkristallen.

© George Kucsko/Harvard Uni.

De grote doorbraak kwam in 2015, toen wetenschappers van Princeton University aantoonden hoe de ‘onmogelijke’ kristallen in theorie konden bestaan als ze in vaste tijdsintervallen bewogen met behulp van many-body localization. 

Cruciaal bij het nieuwe idee was dat de atomen niet geheel uit zichzelf bewegen, want dat is strijdig met de basiswetten van de natuurkunde. 

Verder zouden ze niet bewegen door invloed van buitenaf maar omdat ze tegen elkaar stoten.

Deze sluiproute door de natuurkunde inspireerde wetenschappers het lab in te gaan om de theorie in de praktijk te testen, en begin 2017 slaagden twee teams er vrijwel tegelijkertijd in vierdimensionale kristallen te maken. 

En al gebruikten de twee teams van de University of Maryland en Harvard University verschillende methoden, het resultaat was precies hetzelfde.

In Maryland schoot het team laserpulsen op een keten van ionen van het element ytterbium af, die via many-body localization aan elkaar waren gekoppeld. De laserpulsen gaven de ionen een zetje, waardoor hun magneetvelden synchroon ondersteboven kwamen te staan en weer terug draaiden. 

De ‘maat’ bleef daarbij precies hetzelfde, ook als de frequentie van de laserpulsen anders werd. De keten van ytterbiumionen had dus een eigen ritme, wat je kunt beschouwen als een van zijn fundamentele eigenschappen, net zoals zijn massa of elektrische lading. 

Op Harvard gebruikten de wetenschappers microgolfpulsen om de kleine deeltjes tegen een diamant aan te duwen. En de deeltjes keerden zich ook hier in exacte intervallen om, net als bij de proef in Maryland.

Computer krijgt superkracht

Het nieuwe verschijnsel, dat nu in het lab is aangetoond, wekt groot enthousiasme in de natuurkundewereld, want tijdkristallen zijn het eerste bewijs dat materie zich in de tijddimensie kan organiseren. 

Je kunt zeggen dat de kristallen de klok van het heelal zijn; als je hem aanzet, blijft hij in een vast ritme blijft bewegen – tot in de eeuwigheid.

Een gebied dat baat kan hebben bij zo’n klok is de quantumcomputer, die echter nog niet erg bruikbaar is. 

In quantumcomputers moeten quantumbits de transistors van de computer vervangen. Transistors zijn kleine contacten die aan- of uitstaan en die door de software gebruikt worden en dan voor een 1 of een 0 staan. 

De maatvaste wendingen van het magneetveld van tijdkristallen kunnen deze functie overnemen, maar zonder de energie te verbruiken die transistors nodig hebben. Bovendien zijn ze veel kleiner, dus er past meer rekenkracht op minder plaats. 

Dat de tijdkristallen hun ritme vasthouden ondanks invloeden van buitenaf, zoals een laserpuls, pleit ook voor hun toepassing als quantumbits. 

Tot dusver was het juist een groot probleem om deeltjes te vinden die het werk van de quantumbits kunnen doen en in de praktijk stabiel zijn.

De proeven met tijdkristallen kunnen een heel nieuw gebied in de natuurkunde inluiden, denkt een van de onderzoekers van het experiment in Maryland. 

Al bestaan de kristallen in de proeven maar kort en zijn ze piepklein, het fundamentele concept is nu aangetoond. 

En net zoals zoutkristallen van nature voorkomen, zoals het zout dat je over je eten strooit, kunnen tijdkristallen volgens Monroe een natuurlijk verschijnsel zijn. 

Met andere woorden: misschien zit het heelal wel vol vierdimensionale kristallen, al leken die tot voor kort onmogelijk.

Mis nooit meer het belangrijkste wetenschappelijke nieuws – ontvang de NIEUWSBRIEF van Wetenschap in Beeld rechtstreeks in je mailbox

Bekijk ook ...

ONTVANG DE NIEUWSBRIEF VAN WETENSCHAP IN BEELD

Je ontvangt je gratis special, Onze extreme hersenen, als download zodra je je hebt aangemeld voor onze nieuwsbrief.

Ook gelezen

Niet gevonden wat je zocht? Zoek hier: