15.06.2022

Kontinuierlicher Zeitkristall

Zeitkristall bricht die kontinuierliche Zeit-Translationssymmetrie spontan.

Die Idee eines Zeitkristalls geht auf den Nobelpreis­träger Franck Wilczek zurück, der das Phänomen erstmals vorschlug: Ähnlich wie bei Wasser, das sich um den Gefrierpunkt herum spontan in Eis verwandelt und dabei die Translations­symmetrie des Systems spontan bricht, wird beim Entstehen eines Zeitkristalls die Zeit­translations­symmetrie in einem dynamischen Vielteilchen­systeme spontan gebrochen.

 

Abb.: Die Aufnahme zeigt kalte Atome (gelb) in einem optischen Resonator auf...
Abb.: Die Aufnahme zeigt kalte Atome (gelb) in einem optischen Resonator auf dem Weg, einen Zeit­kristall zu formen. (Bild: UHH, AG Hemmerich)

In den vergangenen Jahren haben Forscher bereits diskrete oder Floquet-Zeit­kristalle in periodisch angetriebenen geschlossenen und offenen Quantensystemen beobachtet. „In allen bisherigen Experimenten wird die zeit­kontinuierliche Translations­symmetrie aber durch einen zeitperiodischen Antrieb gebrochen“, sagt Hans Keßler aus der Arbeitsgruppe von Andreas Hemmerich vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“. „Die Herausforderung für uns bestand darin, ein System zu realisieren, das die kontinuierliche Zeit-Translations­symmetrie spontan bricht.“

In ihrem Experiment verwendeten die Wissenschaftler ein Bose-Einstein-Kondensat in einem optischen Resonator extremer Güte. Mit Hilfe einer zeit­unabhängigen Pumpe beobachteten sie eine Grenz­zyklus­phase, die durch periodische Oszillationen der Photonenzahl im Resonator gekennzeichnet ist und von wiederkehrenden Mustern in der atomaren Dichte begleitet wird.

Dabei zeigte sich, dass die Zeitphase der Oszillationen zufällige Werte zwischen 0 und 2? annimmt, wie es für eine spontan gebrochene kontinuierliche Symmetrie erwartet wird. Indem sie den Stabilitätsbereich im relevanten Parameter­raum identifizierten und die Beständigkeit der Grenzzyklus-Oszillationen auch bei starker zeitlicher Störung zeigten, demonstrierte das Forscherteam die Robustheit der dynamischen Phase.

U. Hamburg / DE

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