Physiker der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben theoretisch eine neue Art von Zeitkristallen nachgewiesen, bei denen Quantenfluktuationen – bislang als störend angesehen – entscheidend zur Stabilisierung der periodischen Schwingungen beitragen. Das Team um Thomas Pohl und Felix Russo zeigt damit, dass Quanteneffekte nicht nur toleriert, sondern aktiv für die Entstehung dieser exotischen Materiephase genutzt werden können. Die Ergebnisse wurden bereits im September 2025 in Physical Review Letters veröffentlicht und nun im Wissenschaftsmagazin scilog des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) populärwissenschaftlich aufgearbeitet.
Zeitkristalle brechen die kontinuierliche Zeit-Translationssymmetrie spontan: Ein System geht von einem zeitlich homogenen Zustand in einen periodisch oszillierenden über, ohne dass eine externe periodische Anregung erforderlich ist. Im Gegensatz zu klassischen Schwingungen (z. B. Pendel) verschwinden diese Oszillationen bei Energieverlust nicht, sondern bleiben stabil – eine neue „Phase der Materie“, analog zu fest/flüssig/gasförmig, jedoch in der Zeitdimension.
Historischer Kontext und Durchbruch
Die Idee stammt von Nobelpreisträger Frank Wilczek (2012), der Zeitkristalle im Grundzustand isolierter Quantensysteme postulierte – ein Konzept, das später theoretisch widerlegt wurde. Erfolge gab es stattdessen in offenen, dissipativen Quantensystemen (z. B. Atome, die Energie an die Umgebung abgeben). Bisherige Modelle nutzten semiklassische Mean-Field-Näherungen, die Quantenkorrelationen und Fluktuationen vernachlässigen. Diese Ansätze zeigten stabile Zeitkristalle, doch Quantenfluktuationen galten als destabilisierend.
Russo und Pohl untersuchten nun ein Gitter aus interagierenden Drei-Niveau-Atomen (modelliert für lasergetriebene Rydberg-Zustände in neutralen Atom-Arrays). Mit einem vollständigen quantenmechanischen Modell (beyond mean-field) fanden sie zwei unterschiedliche kontinuierliche Zeitkristall-Phasen (continuous time crystals, CTC):
- Eine Phase, die auch mean-field-mäßig existiert,
- eine zweite Phase, die ausschließlich durch Quantenkorrelationen entsteht und in der Mean-Field-Beschreibung gar nicht erscheint.
„Quantenfluktuationen können Zeitkristallschwingungen nicht nur dämpfen, sondern sogar erzeugen“, fasst Felix Russo zusammen. Die Stabilität entsteht paradoxerweise durch die dissipativen Quanteneffekte selbst.
Bedeutung und Ausblick
Diese Entdeckung erweitert das Verständnis dissipativer Nichtgleichgewichtsphasen und zeigt, dass Quantenkorrelationen in offenen Systemen neue Ordnungsformen ermöglichen. Potenzielle Anwendungen liegen in Quantentechnologien:
- Extrem präzise Quantenuhren, die intrinsisch auf Quantenprozessoren abgestimmt sind,
- Stabilere Referenzschwingungen für Quantencomputing oder Sensorik,
- Bessere Nutzung von Licht-Materie-Wechselwirkungen in Quantenoptik.
Das Modell ist direkt auf experimentell zugängliche Systeme (z. B. Rydberg-Atome in optischen Gittern) übertragbar. Die Gruppe sucht nun nach verwandten, leichter realisierbaren Plattformen, um die Vorhersagen experimentell zu überprüfen.
Die Arbeit entstand im Rahmen des Exzellenzclusters Quantum Science Austria (quant.a), der vom FWF mit 21 Millionen Euro gefördert wird. Sie unterstreicht Österreichs starke Position in der Quantenforschung.
Einschätzung
Stärken:
- Konzeptuell überraschender und physikalisch eleganter Befund: Quantenrauschen als Ressource statt Störung.
- Direkte Relevanz für aktuelle Experimente mit ultrakalten Atomen und Rydberg-Physik.
- Erweiterung des Phasenraums dissipativer Quantensysteme.
Herausforderungen:
- Derzeit rein theoretisch; experimentelle Realisierung erfordert hohe Kontrolle über Quantenkorrelationen und Dissipation.
- Skalierbarkeit: Wie robust sind die Phasen bei endlicher Systemgröße oder Störungen?
- Abgrenzung zu anderen Nichtgleichgewichtsphänomenen (z. B. Limit-Cycles) bleibt in manchen Grenzfällen subtil.
Insgesamt handelt es sich um einen wichtigen theoretischen Fortschritt, der das Feld der dissipativen Zeitkristalle bereichert und neue experimentelle Richtungen eröffnet. Die Publikation (arXiv:2503.16141, Phys. Rev. Lett. 2025) hat bereits Beachtung gefunden und könnte langfristig zu robusteren Quantentechnologien beitragen.
Quellen:
- Russo, F. & Pohl, T.: Quantum Dissipative Continuous Time Crystals, Physical Review Letters (2025).
- TU Wien Pressemitteilung (September 2025).
- scilog/FWF-Artikel (2. März 2026).
