Self-partitioned Interfacial Time Crystals

In de stille hoekjes van de natuurkunde bestaat een klasse materialen en systemen die weigeren stil te zitten. Terwijl de meeste dingen in de natuur in een rustige, onveranderlijke staat terechtkomen zodra ze hun energie verliezen, worden sommige systemen aangedreven door een constante stroom van energie in en uit, waardoor ze in een staat van eeuwige beweging blijven. Dit zijn non-equilibrium systemen. Binnen dit rusteloze rijk zijn wetenschappers lang gefascineerd geweest door twee verschillende manieren waarop orde kan ontstaan. De eerste is ruimtelijke orde, waarbij een uniform systeem zichzelf spontaan verdeelt in verschillende regio's, zoals olie die zich scheidt van water om afzonderlijke druppels te vormen. De tweede is temporele orde, waarbij een systeem begint een patroon in de tijd te herhalen, tikkend als een klok zonder ooit af te lopen. Dit tweede fenomeen staat bekend als een tijdkristal, een staat die de symmetrie van de tijd doorbreekt door eeuwig te oscilleren. Jarenlang vroegen onderzoekers zich af of deze twee vormen van orde met elkaar verweven konden worden. Zou een systeem dat er overal hetzelfde uitziet in de ruimte plotseling zijn eigen interne grens kunnen uithakken, en vervolgens die specifieke grens laten pulseren met een ritmische, tijdkristal-beat?

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Hong Kong heeft deze vraag nu met een luidruchtig ja beantwoord. Door een theoretisch model te ontwerpen van licht en materie die interageren in een eendimensionale keten, ontdekten zij een nieuwe staat van materie die zij een zelf-gepartitioneerde interface-tijdkristal noemen. In deze staat heeft een perfect uniform systeem geen externe muur of een vooraf gedefinieerde grens nodig om een ritme te creëren. In plaats daarvan organiseert het systeem zichzelf, waarbij het spontaan een scherpe scheidingslijn vormt tussen een rustige, lege regio en een chaotische, actieve regio. Het is juist deze scheidingslijn die tot leven komt en met een constante, persistente frequentie heen en weer oscilleert. Deze ontdekking onthult een nieuwe manier waarop complexe systemen orde uit wanorde kunnen genereren, waarbij laat zien dat de grens tussen twee verschillende fasen van materie zelf een levende, ademende klok kan worden.

De onderzoekers bouwden hun model met behulp van een keten van kleine holtes, die elk een enkel atoomachtig systeem bevatten. Deze holtes zijn zo verbonden dat fotonen, of deeltjes licht, van de ene naar de volgende kunnen springen. De opstelling is echter niet perfect symmetrisch; het licht beweegt gemakkelijker in de ene richting dan in de andere, een eigenschap die nonreciprociteit wordt genoemd. Bovendien is het systeem open, wat betekent dat het constant energie verliest aan zijn omgeving, vergelijkbaar met een lekkende emmer. In eerdere studies hadden wetenschappers tijdkristallen waargenomen die over een heel systeem oscilleerden, of grenzen die op hun plaats waren gefixeerd door de randen van de container. Maar in deze nieuwe opstelling creëert het systeem zijn eigen interne rand. Toen de onderzoekers de sterkte van de interactie tussen het licht en de atomen verhoogden, splitste de uniforme keten zich plotseling. De ene kant van de keten bleef donker en leeg, terwijl de andere kant een turbulente zee van licht werd. Tussen deze twee verschillende zones ontstond een scherpe front.

Wat dit front bijzonder maakt, is dat het niet stil blijft staan. In plaats daarvan ademt het, en beweegt het met een regelmatige, herhalende beweging heen en weer langs de keten. Deze beweging is het tijdkristal-gedrag, maar het is volledig gelokaliseerd bij de interface. De onderzoekers ontdekten dat deze oscillatie ongelooflijk robuust is. Zelfs als ze het systeem begonnen met een volkomen willekeurige brij van licht en atomen, zou het systeem uiteindelijk in deze zelfgeorganiseerde staat terechtkomen, waarbij het front zijn eigen ritme vindt. De frequentie van deze ritmische beweging hangt af van de sterkte van de interactie tussen het licht en de atomen. Specifiek neemt de snelheid van de oscillatie toe met het kwadraat van de koppelingssterkte, wat betekent dat een kleine toename in interactie leidt tot een veel snellere beat. Deze relatie werd analytisch afgeleid, wat een duidelijke wiskundige link biedt tussen de interne krachten van het systeem en zijn ritmische output.

De positie van dit oscillerende front is even fascinerend. Het is niet gefixeerd op een willekeurige plek; in plaats daarvan nestelt het zich op een specifieke locatie die wordt bepaald door hoe sterk het licht de voorkeur geeft aan bewegen in de ene richting boven de andere. Naarmate de onderzoekers deze directionele voorkeur vergrootten, bewoog het front dichter naar de rand van de keten. De manier waarop de positie van het front verandert, volgt een precieze regel: de afstand vanaf de rand krimpt in directe proportie met de toename van de directionele voorkeur. Dit gedrag is verschillend van andere soorten stationaire grenzen, die op een andere snelheid bewegen. Dit verschil in hoe de grens reageert op veranderingen in het systeem dient als een vingerafdruk, die bewijst dat dit een uniek type tijdkristal is, fundamenteel verschillend van de stationaire grenzen die in andere non-equilibrium systemen worden gezien.

De studie onderzocht ook wat er gebeurt wanneer het systeem wordt blootgesteld aan verschillende omstandigheden, zoals wanneer de interactie tussen licht en materie zeer sterk is. In die gevallen kan het systeem een stationair front vormen dat helemaal niet oscilleert, of een complexere staat waarin het front oscilleert terwijl andere delen van het systeem chaotisch blijven. De onderzoekers brachten deze verschillende mogelijkheden in kaart en maakten een gedetailleerde gids die precies laat zien wanneer het systeem zal bezinken in een rustig vacuüm, een chaotische brij, een statische superradiante staat, of dit nieuwe zelf-gepartitioneerde tijdkristal. Zij ontdekten dat het bestaan van deze tijdkristalfase afhangt van een delicaat evenwicht tussen de directionele stroom van licht, het verlies van energie en de sterkte van de interactie. Zonder de directionele stroom zou het systeem niet in staat zijn om deze interne grens in stand te houden.

Dit werk suggereert dat de grenzen van een systeem een veel actievere rol spelen in de non-equilibrium fysica dan voorheen werd aangenomen. In traditionele materialen is een grens slechts een muur waar het materiaal ophoudt. Hier is de grens een dynamisch entiteit die voortkomt uit de interacties binnen het systeem en haar eigen interne klok bezit. De onderzoekers stellen voor dat dit fenomeen gerealiseerd kan worden in experimenten in de echte wereld met behulp van supergeleidende circuits, die al in staat zijn om de benodigde interacties tussen licht en materie te huisvesten. Door de stroom van energie en de directionaliteit van het licht in deze circuits te manipuleren, zouden wetenschappers potentieel deze zelf-gepartitioneerde tijdkristallen in een laboratorium kunnen creëren en observeren. Dit zou niet alleen de theoretische voorspellingen bevestigen, maar ook een nieuwe deur openen naar het begrijpen van hoe complexe, ritmische patronen spontaan kunnen ontstaan in de natuurlijke wereld, gedreven door het eenvoudige samenspel van stroom, verlies en interactie.