Fysici creëren een nieuwe soort tijdkristal die mensen daadwerkelijk kunnen zien

5 september 2025

door Daniel Strain, Universiteit van Colorado in Boulder

bewerkt door Lisa Lock, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

associate editor

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gecontroleerd op feiten

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagelezen

Stel je een klok voor die geen elektriciteit heeft, maar waarvan de wijzers en tandwielen eeuwig blijven draaien. In een nieuw onderzoek hebben natuurkundigen aan de Universiteit van Colorado Boulder vloeibare kristallen gebruikt, dezelfde materialen die in je telefoonscherm zitten, om zo'n klok te maken - of in ieder geval, zo dichtbij als mensen kunnen komen bij dat idee. De vooruitgang van het team is een nieuw voorbeeld van een 'tijdskristal'. Dat is de naam voor een nieuwsgierige fase van materie waarin de onderdelen, zoals atomen of andere deeltjes, voortdurend in beweging zijn.

De onderzoekers zijn niet de eersten die een tijdskristal hebben gemaakt, maar hun creatie is de eerste die mensen daadwerkelijk kunnen zien, wat een hele reeks technologische toepassingen zou kunnen openen.

'Ze kunnen direct onder een microscoop worden waargenomen en zelfs, onder speciale omstandigheden, met het blote oog,' zei Hanqing Zhao, hoofdauteur van de studie en een promovendus aan de afdeling Natuurkunde van CU Boulder.

Hij en Ivan Smalyukh, hoogleraar Natuurkunde en collega bij het Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), publiceerden hun bevindingen op 4 september in het tijdschrift Nature Materials.

In de studie ontwierpen de onderzoekers glazen cellen gevuld met vloeibare kristallen - in dit geval staafvormige moleculen die zich een beetje gedragen als een vaste stof en een beetje als een vloeistof. Onder speciale omstandigheden, als je er licht op schijnt, beginnen de vloeibare kristallen te draaien en te bewegen, volgens patronen die in de tijd herhalen.

Onder een microscoop lijken deze vloeibare kristalsamples op psychedelische strepen van een tijger, en ze kunnen urenlang blijven bewegen - vergelijkbaar met die eeuwig draaiende klok.

'Alles komt voort uit niets,' zei Smalyukh. 'Alles wat je doet is een beetje licht laten schijnen, en deze hele wereld van tijdskristallen komt tevoorschijn.'

Zhao en Smalyukh zijn leden van de Coloradosatelliet van het International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) met hoofdkwartier aan de Universiteit van Hiroshima in Japan, een internationaal instituut met als missie kunstmatige vormen van materie te creëren en bij te dragen aan duurzaamheid.

Tijdskristallen klinken misschien als iets uit sciencefiction, maar ze halen hun inspiratie uit van nature voorkomende kristallen, zoals diamanten of keukenzout.

Nobelprijswinnaar Frank Wilczek stelde voor het eerst het idee van tijdskristallen voor in 2012. Traditionele kristallen kun je beschouwen als 'ruimte kristallen.' De koolstofatomen die bijvoorbeeld een diamant vormen, vormen een roosterpatroon in de ruimte dat zeer moeilijk uit elkaar te halen is.

Wilczek vroeg zich af of het mogelijk zou zijn om een kristal te bouwen dat even goed georganiseerd was, maar dan in de tijd in plaats van in de ruimte. Zelfs in hun rusttoestand zouden de atomen in zo'n toestand geen roosterpatroon vormen, maar zouden ze bewegen of transformeren in een eindeloze cyclus - zoals een GIF die voor altijd herhaalt.

Wilczeks oorspronkelijke concept bleek onmogelijk te realiseren, maar in de jaren daarna hebben wetenschappers een fase van materie gecreëerd die redelijk dichtbij komt.

In 2021 bijvoorbeeld gebruikten natuurkundigen Google's Sycamore quantumcomputer om een speciaal netwerk van atomen te creëren. Toen het team die atomen een zetje gaf met een laserstraal, ondergingen ze fluctuaties die meerdere malen herhaalden.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

In de nieuwe studie wilden Zhao en Smalyukh zien of ze een soortgelijke prestatie konden behalen met vloeibare kristallen.

Smalyukh legde uit dat als je op deze moleculen op de juiste manier drukt, ze zo strak samenklonteren dat ze kinken vormen. Opmerkelijk genoeg bewegen deze kinken rond en kunnen zelfs, onder bepaalde omstandigheden, zich gedragen als atomen.

'Je hebt deze wendingen, en je kunt ze niet gemakkelijk verwijderen,' zei Smalyukh. 'Ze gedragen zich als deeltjes en beginnen met elkaar te interageren.'

In de huidige studie sandwichten Smalyukh en Zhao een oplossing van vloeibare kristallen tussen twee stukken glas die waren gecoat met kleurmoleculen. Op zichzelf bleven deze monsters grotendeels stil zitten. Maar toen de groep ze met een bepaald soort licht raakte, veranderden de kleurmoleculen van oriëntatie en persten de vloeibare kristallen samen. Daarbij ontstonden plotseling duizenden nieuwe kinken.

Dieze kinks begonnen ook met elkaar te interacteren na een ongelofelijk complexe reeks stappen. Denk aan een kamer gevuld met dansers in een Jane Austen roman. Paren breken uit elkaar, draaien rond de kamer, komen weer samen, en doen het allemaal opnieuw. De tijdspatronen waren ook uitzonderlijk moeilijk te doorbreken - de onderzoekers konden de temperatuur van hun monsters verhogen of verlagen zonder de beweging van de vloeibare kristallen te verstoren.

'Dat is de schoonheid van dit tijdskristal,' zei Smalyukh. 'Je creëert gewoon een aantal niet zo speciale omstandigheden. Je schijnt met een licht, en het hele ding gebeurt.'

Zhao en Smalyukh zeggen dat dergelijke tijdskristallen verschillende toepassingen zouden kunnen hebben. Overheden zouden bijvoorbeeld deze materialen aan biljetten kunnen toevoegen om ze moeilijker te vervalsen - als je wilt weten of dat $100 biljet echt is, schijn gewoon met een licht op de 'tijdwatermerk' en kijk naar het patroon dat verschijnt. Door verschillende tijdskristallen op elkaar te stapelen, kan de groep zelfs meer complexe patronen creëren, wat ingenieurs potentieel in staat zou stellen om enorme hoeveelheden digitale gegevens op te slaan.

'We willen op dit moment geen limiet stellen aan de toepassingen,' zei Smalyukh. 'Ik denk dat er mogelijkheden zijn om deze technologie in allerlei richtingen te duwen.'

Meer informatie: Hanqing Zhao et al, Ruimte-tijd kristallen van deeltje-achtige topologische solitons, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02344-1

Journalinformatie: Nature Materials

Geleverd door Universiteit van Colorado in Boulder