Vom kontinuierlichen zum diskreten Zeitkristall

31. Juli 2024

Foto: AG Hemmerich

Ein atomares Bose-Einstein Kondensat ist stark an einen periodisch gepumpten optischen Resonator mit ultrahoher Güte gekoppelt und die Antwortfrequenz des Systems rastet auf die Hälfte der Modulationfrequenz ωdr ein.

Ein internationales Forschungsteam der Universität Hamburg, der Universität der Philippinen und der Universität São Paulo hat einen Phasenübergang von einem kontinuierlichen zu einem diskreten Zeitkristall beobachtet. Die Arbeit wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Reports on Progress in Physics" veröffentlicht.

Zeitkristalle sind neuartige dynamische Vielteilchenzustände, die durch robuste, sich selbst erhaltende Oszillationen gekennzeichnet sind und durch spontanes Brechen der Zeittranslationssymmetrie entstehen. Es wird zwischen diskreten (DTCs) und kontinuierlichen (CTCs) Zeitkristallen unterschieden: DTCs sind periodisch angetriebene Systeme, die mit einer Subharmonischen des externen Antriebs schwingen, während CTCs kontinuierlich angetrieben werden und mit einer systemeigenen Frequenz oszillieren.

In den Experimenten, über die die Forschenden jetzt berichten, wurde ein CTC mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz ω_CTC durch die starke Kopplung eines atomaren Bose-Einstein Kondensats mit einem kontinuierlich gepumpten optischen Resonator mit ultrahoher Güte erzeugt. Das Modulieren der Pumpintensität des CTC mit einer Frequenz ω_dr nahe zwei ω_CTC führte zu einer robusten Synchronisation von ω_CTC mit der Hälfte der Antriebsfrequenz ω_dr /2, sodass ein DTC entstand.

Schnittstelle zwischen nichtlinearer Dynamik und Zeitkristallen

„In biologischen Systemen wird das Phänomen, dass ein nichtlinearer Oszillator, welcher sich im Grenzzykluszustand befindet, auf einen periodischen Antrieb einrastet, als Entrainment bezeichnet“, erklärt Hans Keßler vom Institut für Quantenphysik in Hamburg. Liegt die Antwortfrequenz unterhalb der Modulationsfrequenz, wie es hier der Fall ist, sprechen die Forschenden von subharmonischem Entrainment. In der Physik sind die Begriffe „Phase“ oder „Injektion Locking“ geläufiger. Hier wird die Physik des subharmonischen „Injection Locking“ im Rahmen eines Phasenübergangs in einem Vielteil­chensystem mit langreichweitiger Wechselwirkung beobachtet.

„Wir etablieren damit eine nicht-triviale Schnittstelle zwischen klassischer nichtlinearer Dynamik und Zeitkristallen, die den Zugang zu einer großen Bandbreite dynamischer Phänomene ermöglicht, die in Zeitkristallen und verwandten dynamischen Vielkörperzuständen verstanden und etabliert werden können“, sagt Andreas Hemmerich, Professor am Fachbereich Physik der Universität Hamburg und Forscher im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“.

Originalpublikation

P. Kongkhambut, J. G. Cosme, J. Skulte, M. A. Moreno Armijos, L. Mathey, A. Hemmerich and H. Keßler

“Observation of a phase transition from a continuous to a discrete time crystal”

Rep. Prog. Phys. 87 080502 (2024)

DOI 10.1088/1361-6633/ad6585