Physiker schaffen eine neue Art von Zeitkristall, den Menschen tatsächlich sehen können

5. September 2025

von Daniel Strain, University of Colorado at Boulder

bearbeitet von Lisa Lock, überprüft von Robert Egan

wissenschaftlicher Redakteur

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Stellen Sie sich eine Uhr vor, die keinen Strom hat, aber deren Zeiger und Räder von alleine in alle Ewigkeit drehen. In einer neuen Studie haben Physiker an der University of Colorado Boulder Flüssigkristalle verwendet, dieselben Materialien, die auch in Ihrem Handy-Display vorhanden sind, um eine solche Uhr zu schaffen—oder zumindest so nah wie Menschen dieser Idee kommen können. Der Fortschritt des Teams ist ein neues Beispiel für ein 'Zeitkristall.' Das ist der Name für eine interessante Phase der Materie, in der die Bestandteile wie Atome oder andere Partikel sich in ständiger Bewegung befinden.

Die Forscher sind nicht die ersten, die einen Zeitkristall herstellen, aber ihre Kreation ist die erste, die Menschen tatsächlich sehen können, was zahlreiche technologische Anwendungen eröffnen könnte.

'Sie können direkt unter einem Mikroskop beobachtet werden und sogar unter speziellen Bedingungen mit bloßem Auge,' sagte Hanqing Zhao, Hauptautor der Studie und Doktorand am Physik-Department der CU Boulder.

Er und Ivan Smalyukh, Professor für Physik und Fellow des Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), haben ihre Ergebnisse am 4. September in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

In der Studie haben die Forscher Glaszellen mit Flüssigkristallen gefüllt, in diesem Fall stäbchenförmige Moleküle, die sich ein wenig wie ein Feststoff und ein wenig wie eine Flüssigkeit verhalten. Unter speziellen Umständen, wenn man Licht auf sie scheint, beginnen die Flüssigkristalle zu wirbeln und sich zu bewegen, wobei sie zeitlich wiederkehrende Muster folgen.

Unter einem Mikroskop ähneln diese Flüssigkristallproben psychedelischen Tigerstreifen und können stundenlang in Bewegung bleiben—ähnlich wie die ewig drehende Uhr.

'Alles entsteht aus dem Nichts,' sagte Smalyukh. 'Alles was du tun musst, ist Licht darauf zu werfen, und diese ganze Welt der Zeitkristalle entsteht.'

Zhao und Smalyukh sind Mitglieder des Colorado-Satelliten des International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) mit Hauptsitz an der Hiroshima University in Japan, einem internationalen Institut mit der Mission, künstliche Formen von Materie zu schaffen und zur Nachhaltigkeit beizutragen.

Zeitkristalle mögen wie etwas aus Science-Fiction klingen, aber sie sind von natürlichen Kristallen wie Diamanten oder Kochsalz inspiriert.

Der Nobelpreisträger Frank Wilczek schlug erstmals 2012 die Idee von Zeitkristallen vor. Traditionelle Kristalle können Sie als 'Raumkristalle' ansehen. Die Kohlenstoffatome, aus denen beispielsweise ein Diamant besteht, bilden beispielsweise ein Gittermuster im Raum, das sehr schwer zu zerstören ist.

Wilczek fragte sich, ob es möglich wäre, einen Kristall zu bauen, der ähnlich gut organisiert ist, jedoch in der Zeit statt im Raum. Selbst im Ruhezustand würden die Atome in einem solchen Zustand kein Gittermuster bilden, sondern sich in einem endlosen Zyklus bewegen oder transformieren—wie ein GIF, das sich für immer wiederholt.

Wilczeks ursprüngliches Konzept erwies sich als unmöglich umzusetzen, aber in den Jahren seitdem haben Wissenschaftler Phasen der Materie geschaffen, die diesem Konzept recht nahe kommen.

2021 zum Beispiel haben Physiker Googles Sycamore-Quantencomputer verwendet, um ein spezielles Atomnetzwerk zu erstellen. Als das Team diesen Atomen einen Lichtstrahl versetzte, unterlagen sie Schwankungen, die sich mehrfach wiederholten.

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In der neuen Studie haben Zhao und Smalyukh versucht, eine ähnliche Leistung mit Flüssigkristallen zu erreichen.

Smalyukh erklärte, dass wenn man auf diese Moleküle auf die richtige Art und Weise drückt, sie sich so eng zusammenziehen, dass sie Knicke bilden. Diese Knicke bewegen sich erstaunlicherweise herum und können sogar unter bestimmten Bedingungen wie Atome wirken.

'Sie haben diese Drehungen, und man kann sie nicht leicht entfernen,' sagte Smalyukh. 'Sie verhalten sich wie Partikel und fangen an, miteinander zu interagieren.'

In der aktuellen Studie haben Smalyukh und Zhao eine Lösung von Flüssigkristallen zwischen zwei mit Farbmolekülen beschichteten Glasstücken eingeklemmt. Allein bewegten sich diese Proben größtenteils nicht. Aber als die Gruppe sie mit einer bestimmten Art von Licht traf, änderten die Farbmoleküle ihre Ausrichtung und drückten die Flüssigkristalle zusammen. Dabei bildeten sich plötzlich tausende neue Knicke.

Diese Verwicklung begannen auch miteinander zu interagieren, nachdem eine unglaublich komplexe Serie von Schritten durchlaufen wurde. Stellen Sie sich einen Raum voller Tänzer in einem Jane Austen Roman vor. Paare trennen sich, drehen sich im Raum herum, kommen wieder zusammen und wiederholen alles. Die Muster in der Zeit waren auch ungewöhnlich schwer zu zerbrechen - die Forscher konnten die Temperatur ihrer Proben erhöhen oder senken, ohne die Bewegung der Flüssigkristalle zu stören. "Das ist die Schönheit dieses Zeitkristalls", sagte Smalyukh. "Sie schaffen einfach einige Bedingungen, die nicht besonders sind. Sie lassen ein Licht scheinen, und das Ganze passiert." Zhao und Smalyukh sagen, dass solche Zeitkristalle mehrere Verwendungen haben könnten. Regierungen könnten diese Materialien beispielsweise Banknoten hinzufügen, um sie schwerer fälschungssicher zu gestalten - wenn Sie wissen möchten, ob eine 100-Dollar-Note echt ist, lassen Sie einfach ein Licht auf das 'Zeit-Wasserzeichen' scheinen und beobachten Sie das Muster, das erscheint. Durch Stapeln mehrerer unterschiedlicher Zeitkristalle kann die Gruppe noch kompliziertere Muster erstellen, was Ingenieuren möglicherweise ermöglicht, große Mengen digitaler Daten zu speichern. "Wir möchten die Anwendungen jetzt nicht eingrenzen", sagte Smalyukh. "Ich glaube, es gibt Möglichkeiten, diese Technologie in alle möglichen Richtungen zu treiben." Weitere Informationen: Hanqing Zhao et al, Raumzeitkristalle aus teilchenartigen topologischen Solitonen, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02344-1 Zeitschrifteninformation: Nature Materials Bereitgestellt von der Universität von Colorado in Boulder