Opkomende discrete ruimte-tijdkristal van Majorana-achtige quasideeltjes in chirale vloeibare kristallen

Patronen die tikken als een klok

Kristallen worden gewoonlijk gezien als ruimtelijke herhalende patronen, zoals de atomen in een diamant. In dit werk verkennen wetenschappers een vreemdere gedachte: materialen die ook herhalende patronen in de tijd ontwikkelen, die tikken in hun eigen ritme zelfs wanneer ze worden aangedreven door een regelmatig extern signaal. Ze tonen aan dat een veelgebruikte displaystof, vloeibare kristallen, zulke "tijdkristallen" kan vormen in een gewone laboratoriumopstelling, en onthullen daarmee een nieuwe manier waarop materie zich kan organiseren in zowel ruimte als tijd.

Alledaagse vloeibare kristallen onder ongebruikelijke aandrijving

Vloeibare kristallen drijven al het merendeel van vlakke beeldschermen aan, waar elektrische velden hun staafvormige moleculen zachtjes heroriënteren. Hier gebruiken de onderzoekers een chirale (gedraaide) vloeibare kristal, gedopeerd met geladen moleculen, en begrenzen die tussen twee glasplaten die als transparante elektroden fungeren. In plaats van een constante of vloeiend variërende spanning, passen ze een herhalend zaagtandvormig elektrisch signaal toe, bekend als een Floquet-aandrijving. Onder de microscoop licht het monster niet gewoon op en dimt het. In plaats daarvan ontwikkelt het spontaan gestreepte of roosterachtige kleurpatronen die regelmatig in de ruimte terugkeren terwijl hun uiterlijk ritmisch verandert in de tijd.

Een systeem dat elke andere slag overslaat

Door films van het doorgelaten licht op te nemen en de kleuren pixel voor pixel te analyseren, ontdekt het team dat het vloeibare kristal tot een nieuw soort orde komt. De aandrijfspanning heeft één basisperiode, maar het zichtbare patroon keert pas na twee perioden van de aandrijving in exact dezelfde toestand terug. Deze "periodeverdubbeling" betekent dat het materiaal de eenvoudige tijdherhaling van het dwingende signaal heeft doorbroken en zijn eigen tragere klok heeft gecreëerd. Tegelijk bewegen en veranderen aangrenzende heldere gebieden in de ruimte vaak tegenovergesteld, en vormen ze een antiferromagnetisch-achtige afwisseling zowel over het monster als van de ene cyclus naar de volgende. Deze gedragingen kwalificeren het systeem als een discrete ruimte-tijdkristal: geordend in ruimte en tijd, maar niet simpelweg slaafs volgend op het externe ritme.

Kleine defecten die zich als deeltjes gedragen

Om te begrijpen wat er beweegt en verandert in het vloeibare kristal, combineren de auteurs experimenten met gedetailleerde computersimulaties. Het gedraaide materiaal bevat van nature smalle wanden en lijnvormige defecten waar de lokale oriëntatie van moleculen ongedefinieerd of sterk vervormd is. In de tijdkristaltoestand verschijnen deze defecten in herhalende ketens, en hun vormen en verbindingen veranderen vloeiend terwijl de spanning van negatief naar positief en terug loopt. Paren van zulke defecten, verbonden door domeinwanden, gedragen zich als deeltje- en anti-deeltjepartners: ze kunnen continu in elkaar overgaan, elkaar annihileren en dan een halve periode later verschoven met een halve roosterafstand weer verschijnen. Omdat deze defectprofielen wiskundige regels volgen die vergelijkbaar zijn met die van de ongrijpbare Majorana-deeltjes in de kwantumfysica, beschrijven de auteurs ze als Majorana-achtige quasideeltjes in een klassiek vloeibaar kristal.

Robuust tikken en rijke fasegedragingen

De tijdkristalpatronen vereisen geen fijne afregeling. De onderzoekers brengen in kaart hoe ze verschijnen en verdwijnen als ze temperatuur, de sterkte van de spanningspulsen, de aandrijfperiode, cel­dikte en de intrinsieke draaiing van het vloeibare kristal variëren. Ze vinden brede gebieden waar eendimensionale streepachtige tijdkristallen en tweedimensionale roosterachtige tijdkristallen stabiel zijn, gescheiden van gewone en gedesorganiseerde fasen. Eenmaal gevormd kunnen deze patronen lokaal urenlang blijven bestaan en tientallen tot honderden duizenden aandrijfcycli doorlopen, waarbij ze willekeurige fluctuaties in de timing van de elektrische pulsen overleven en zelfs herstellen nadat defecten zijn ingebracht met gefocusseerde laserbundels. In dikkere monsters met sterkere draaiing observeert het team ook quasi-hexagonale patronen waarvan de interne timing niet door een eenvoudig geheel getal overeenkomt met de aandrijving, wat wijst op meer exotische "fractionele" tijdkristallen.

Waarom dit nieuwe soort orde ertoe doet

Deze studie laat zien dat tijdkristalgedrag niet beperkt is tot fragiele kwantumapparaten, maar kan ontstaan in zachte klassieke materialen die vertrouwd zijn uit alledaagse technologie. In deze vloeibare kristallen fungeren gelokaliseerde defectstructuren als bouwstenen die zich ordenen in patronen die zich zowel in ruimte als in tijd herhalen. Omdat zulke structuren herschrijfbaar en robuust zijn, zouden ze de basis kunnen vormen voor nieuwe optische elementen die licht sturen of moduleren in programmeerbare ritmes. Algemeen ondersteunen de resultaten het idee dat gelijktijdige breking van ruimte- en tijdsymmetrie een veelvoorkomende mogelijkheid is in aangedreven, open systemen, en breiden ze ons beeld uit van hoe materie zich kan organiseren wanneer ze uit evenwicht wordt geduwd.

Bronvermelding: Zhao, H., Zhang, R. & Smalyukh, I.I. Emergent discrete space-time crystal of Majorana-like quasiparticles in chiral liquid crystals. Nat Commun 17, 4376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70880-8

Trefwoorden: tijdkristallen, vloeibare kristallen, topologische defecten, Floquet-aandrijving, Majorana-achtige quasideeltjes