Forschende entdecken einen Quantenzeitkristall und definieren damit eine neue Phase der Materie

Ein Zeitkristall ist ein System, das dauerhaft in Bewegung ist und seinem eigenen Takt folgt. Überraschend zeigten nun Physiker der TU Wien, dass ausgerechnet Quantenfluktuationen – sonst als Störfaktor bekannt – diese stabilen Schwingungen ermöglichen können. Das eröffnet Einblicke in ein bisher unbekanntes Verhalten von Materie in Zeit und Raum.

Natur & Technik

von Phila Reymbold/red

2. März 2026

Zeitkristalle sind ein ungewöhnliches Phänomen der modernen Physik: Systeme, die nicht zur Ruhe kommen, sondern dauerhaft einen eigenen Rhythmus entwickeln. Die ursprüngliche Idee dazu kam von Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek, der 2012 die Existenz von Zeitkristallen im Grundzustand eines Quantensystems voraussagte. Diese Art der Zeitkristalle wurde allerdings konzeptuell widerlegt, woraufhin Forschende andere physikalische Szenarien untersuchten, um Kristallisation in der Zeit zu beobachten. Überraschenderweise gelang der Durchbruch in sogenannten offenen Quantensystemen, also zum Beispiel für Atome, die kontinuierlich Energie an ihre Umgebung abgeben.

Bis vor Kurzem galt die Quantenphysik dabei als nötiges Übel: Die Kleinstsysteme, in denen Zeitkristalle existieren, werden durch sie beschrieben, doch die daraus resultierenden Fluktuationen stören die Gleichmäßigkeit der Bewegung. Eine Gruppe um den Physiker Thomas Pohl an der TU Wien konnte nun zeigen, dass es auch Zeitkristalle gibt, deren Stabilität erst durch echte Quanteneffekte entsteht. Diese Entdeckung vertieft nicht nur unser Verständnis vom Verhalten der Materie und ihrer physikalischen Eigenschaften, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für Quantentechnologien.

Dauerhafte Taktgeber

Physiker der TU Wien konnten zeigen, dass es Zeitkristalle gibt, deren Stabilität erst durch echte Quanteneffekte entsteht. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für Quantentechnologien.

Raum und Zeit

Zeitkristalle unterscheiden sich von gewöhnlichen Kristallen dadurch, dass ihre Ordnung nicht im Raum, sondern in der Zeit entsteht. Während die Stabilität eines klassischen Kristalls aus einer periodischen räumlichen Struktur resultiert, zeigt sich beim Zeitkristall eine regelmäßige zeitliche Wiederholung. Formt sich beispielsweise ein Eiskristall auf der Oberfläche von Wasser, so entsteht eine Ausrichtung, wo vorher keine war: Im Wasser schwimmen Moleküle turbulent durch die Gegend, bevor sie sich zu strukturiertem Eis ordnen. Genau dieser Symmetriebruch macht auch Zeitkristalle aus. Ein System, das ursprünglich zeitlich ungeordnet war, entwickelt sich hin zu einem periodischen, also sich regelmäßig wiederholenden Zustand und findet seinen eigenen Rhythmus.

Zeitkristalle als dauerhafte Taktgeber

Allerdings ist nicht jede periodische Bewegung ein Zeitkristall. In vielen Systemen, wie zum Beispiel bei einem Pendel, wird eine Schwingung durch äußere Anregung oder durch die Geometrie des Systems vorgegeben und verschwindet, sobald Reibung im Spiel ist. Echte Zeitkristalle hingegen sind – trotz Energieverlusten – extrem stabil. Ihre Frequenz entspricht keiner einfachen Resonanz, sondern entsteht durch ein komplexes Wechselspiel von vielen Teilchen. In diesem Sinn bilden Zeitkristalle einen eigenen Phasenzustand, vergleichbar mit „flüssig“ und „fest“, nur eben in der Zeit. Ein Zeitkristall könnte daher als dauerhafter Taktgeber für kleinste Anwendungen dienen, möglicherweise sogar für Quantentechnologien oder als Referenzschwingung für präzise Frequenzmessungen. Doch wie stellt man sie her?

Das Mean-Field-Modell

Zuletzt wurden Zeitkristalle in sehr unterschiedlichen Systemen beobachtet: von optomechanischen Resonatoren bis hin zu Schwingungen in Flüssigkristallen, die man mit bloßem Auge erkennt. Sie alle verbindet, dass sie aus mikroskopisch kleinen Grundbausteinen bestehen, und zwar aus so vielen, dass sie gutstatistisch beschreibbar sind: Sie lassen sich mit semiklassischen Mean-Field-Modellen modellieren, welche Vielteilchen-Quantenfluktuationen vernachlässigen. Bis vor Kurzem hatte es sogar den Anschein, als würden die Fluktuationen der Quantenphysik der Stabilität von Zeitkristallen generell schaden. Doch die Forschenden in Wien konnten das nun widerlegen. Bevor wir zu ihren Ergebnissen kommen, müssen wir jedoch verstehen, was ein semiklassisches Mean-Field-Modell ist.

Dazu kann man sich eine Gruppe an Personen vorstellen, die ihre Meinungen austauschen. Jede Person hat eine eigene Meinung, die sich aber kontinuierlich ändert und von der Meinung ihrer Nachbar:innen beeinflusst wird. Will man dieses System nun exakt beschreiben, so muss man jeden Meinungsaustausch modellieren – ein Unterfangen, das bei großen Menschenmassen sehr aufwendig werden kann. Ein Mean-Field-Ansatz ist nun ein sehr simples Näherungsverfahren, das nur die durchschnittliche Meinung beschreibt. Man simuliert also nur eine einzige Person, welche solange von der durchschnittlichen Meinung anderer beeinflusst wird, bis ein Konsens erreicht ist. Daher kommt auch der Name „Mean Field“: Man beschreibt die Interaktion mit dem durchschnittlichen (engl. mean) Meinungsfeld (engl. field). In diesem Beispiel wird der Meinungsaustausch zwischen zwei Einzelpersonen vernachlässigt; in der physikalischen Analogie entspricht dies der Vernachlässigung von Zweiteilchen-Quantenkorrelationen.

Grafische Darstellung von Atomen auf einem Gitter, Lichtwellen und einer Stoppuhr — Viele ordentlich angeordnete Atome können zusammen ein Verhalten entwickeln, bei dem das System nicht mehr zu jeder Zeit gleich aussieht, sondern einem eigenen „inneren“ Takt folgt. © TU Wien

Erste Quantenzeitkristalle entdeckt

An der TU Wien haben sich nun die beiden theoretischen Physiker Thomas Pohl und Felix Russo, unterstützt durch den Wissenschaftsfonds FWF, die Frage gestellt, was geschieht, wenn man den Meinungsaustausch mitsimuliert – allerdings nicht für eine Menschenmasse, sondern in einem echten Quantensystem. Kann man trotzdem Zeitkristalle herstellen oder werden sie durch die Quantenfluktuationen gestört? Pohl und Russo modellierten eine Anordnung aus Atomen in einem Gitter aus Laserlicht. Sie haben so eine Art von Zeitkristall entdeckt, die nur mit einem vollwertigen Quantenmodell beschreibbar ist.

„Bisher war es so, dass in Systemen, in denen eine Mean-Field-Näherung nicht erlaubt ist, die Zeitkristallschwingungen schwächer wurden. Es wurde also vermutet, dass Quantenfluktuationen unvorteilhaft für eine stabile Zeitordnung sind“, erläutert Felix Russo. „Unsere Berechnungen zeigen nun, dass Quantenfluktuationen nicht zwingendermaßen zu einer Dämpfung führen. Im Gegenteil: Sie können Zeitkristallschwingungen auch erzeugen!“

Suche nach verwandten Systemen

In seiner jetzigen Form lässt sich der neue Quantenzeitkristall experimentell allerdings noch schwer umsetzen. Deshalb sucht die Forschungsgruppe nun nach verwandten Systemen, in denen sich ähnliche Effekte unter zugänglicheren Laborbedingungen zeigen könnten. Diese Suche nach einem passenden System wird umso spannender, als man jetzt weiß, dass Quantenwechselwirkungen selbst den nie endenden Takt hervorbringen können, der Zeitkristalle so einzigartig macht.

Das kann zur Entwicklung von extrem genauen Quantenuhren führen, die technologisch bestens auf Quantenprozessoren abgestimmt sind und dadurch die Leistungsfähigkeit von zukünftigen Quantencomputern steigern könnten.

Zu den Personen

Thomas Pohl leitet eine Forschungsgruppe am Institut für theoretische Physik der TU Wien. Felix Russo ist Doktorand in Pohls Gruppe. Zu den Schwerpunkten der Forschenden gehört die Beschreibung von offenen Quantensystemen im Nichtgleichgewicht. Der Exzellenzcluster „Quantum Science Austria“, in dessen Forschungsverbund die neuen Erkenntnisse gewonnen wurden, ist eine nationale Initiative zur Unterstützung der Quantenwissenschaften und wird vom Wissenschaftsfonds FWF mit 21 Millionen Euro gefördert.