Zeitkristalle brechen Newtons Gesetz und schweben auf Schall
Forschende zeigen Zeitkristalle, die auf Schall schweben und Newtons drittes Gesetz verletzen. Ein Experiment mit überraschend einfachem Aufbau.
Physikforscher der NYU haben eine neue Art von Zeitkristall beobachtet – einen, dessen Teilchen auf einem Schallkissen schweben und miteinander interagieren, indem sie Schallwellen austauschen. Oben schwebt eine Perle (violett) in der Luft, gehalten von Schallwellen, die von (schwarzen) kreisförmigen Lautsprechern ausgehen, die in einem 15 cm hohen, 3D-gedruckten Rahmen angeordnet sind.
Foto: NYU's Center for Soft Matter Research
| Kurze Zusammenfassung |
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Zeitkristalle gehören zu den Konzepten, die auf den ersten Blick wie ein Denkfehler wirken. Kristalle, die sich nicht durch ihre räumliche Ordnung definieren, sondern durch eine zeitliche. Teilchen, die nicht zur Ruhe kommen, sondern in einem stabilen Rhythmus schwingen. Genau das macht sie für die Physik so interessant.
Vor rund zehn Jahren tauchte die Idee erstmals in der Theorie auf. Kurz darauf folgten erste Experimente. Seitdem haben Forschende verschiedene Varianten dieser Materieform untersucht. Anwendungen gibt es bislang nicht. Doch Zeitkristalle gelten als mögliche Bausteine für Quantencomputer oder neuartige Speicher. Jetzt kommt eine weitere Spielart hinzu – sichtbar mit bloßem Auge und überraschend einfach aufgebaut.
Ein Team der New York University hat einen Zeitkristall beobachtet, dessen Teilchen auf einem Schallfeld schweben. Die Ergebnisse erschienen in Physical Review Letters. Das System widerspricht dabei einer der Grundannahmen der klassischen Physik: dem dritten Newtonschen Gesetz.
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Wenn Aktion nicht mehr gleich Reaktion ist
Das dritte Newtonsche Gesetz ist schnell erklärt: Übt ein Objekt eine Kraft aus, wirkt eine gleich große Gegenkraft in entgegengesetzter Richtung. Diese Reziprozität gilt in alltäglichen Situationen fast immer. Die schwebenden Kügelchen im neuen Experiment verhalten sich anders.
Die Teilchen bewegen sich nicht paarweise ausgeglichen. Ihre Wechselwirkungen sind asymmetrisch. Ursache ist der Umweg über Schallwellen. Die Partikel kommunizieren nicht direkt miteinander, sondern über ein akustisches Feld. Das führt dazu, dass Kräfte nicht mehr spiegelbildlich auftreten.
Genau diese nicht-reziproken Wechselwirkungen treiben die periodische Bewegung an. Die Kügelchen beginnen spontan zu schwingen. Der Rhythmus stabilisiert sich selbst. So entsteht ein Zeitkristall.
Ein Zeitkristall zum Anfassen
Bemerkenswert ist der Aufbau. Der gesamte Versuchsaufbau ist nur etwa 30 cm hoch und passt in eine Hand. Im Zentrum steht ein sogenannter akustischer Levitator. Er erzeugt stehende Schallwellen, in denen kleine Styroporkügelchen schweben. Ähnliche Kügelchen kennt man aus Verpackungen.
„Zeitkristalle sind nicht nur wegen ihrer Möglichkeiten faszinierend, sondern auch, weil sie so exotisch und kompliziert erscheinen“, sagt David Grier, Leiter der Studie. „Unser System ist bemerkenswert, weil es unglaublich einfach ist.“
Die Schallwellen halten die Partikel zunächst ruhig in der Luft. Erst ihre gegenseitige Beeinflussung setzt die Bewegung in Gang. Größere Kügelchen streuen mehr Schall als kleinere. Dadurch üben sie stärkere Kräfte aus. Das Kräftegleichgewicht kippt.
Schall statt Federn und Zahnräder
Doktorandin Mia Morrell erklärt den Mechanismus anschaulich: „Schallwellen üben Kräfte auf Partikel aus – genau wie Wellen auf der Oberfläche eines Teiches Kräfte auf ein schwimmendes Blatt ausüben können.“ Und weiter: „Wir können Objekte gegen die Schwerkraft schweben lassen, indem wir sie in ein Schallfeld tauchen, das als stehende Welle bezeichnet wird.“
Für die asymmetrischen Wechselwirkungen nutzt Morrell ein Bild aus dem Alltag: „Stellen Sie sich zwei Fähren unterschiedlicher Größe vor, die sich einem Dock nähern.“ Beide erzeugen Wellen, aber nicht gleich stark. Genau dieses Ungleichgewicht treibt den Zeitkristall an.
Brücke zur Biologie
Die Ergebnisse sind nicht nur für die Physik relevant. Auch biologische Systeme arbeiten oft nicht-reziprok. Biochemische Netzwerke, etwa beim Stoffwechsel, folgen keinem einfachen Aktions-Reaktions-Schema. Der neue Zeitkristall liefert dafür ein greifbares Modell.
Er zeigt, dass stabile Rhythmen auch ohne symmetrische Kräfte entstehen können. Das ist interessant für das Verständnis innerer Uhren, etwa circadianer Rhythmen. Gleichzeitig bleibt die Arbeit grundlagenorientiert. Konkrete technische Anwendungen liegen noch in der Zukunft.
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