C’est officiel : Les cristaux temporels sont un nouvel état de la matière, et nous pouvons maintenant les créer

les cristaux de temps sont un état de la matière dont la structure atomique se répète non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps, ce qui leur permet de maintenir une oscillation constante sans énergie. Au début de l’année, les physiciens avaient mis au point un plan pour fabriquer et mesurer les cristaux de temps – un phénomène bizarre

En janvier dernier, deux équipes de recherche distinctes ont réussi à créer ce qui ressemblait étrangement à des cristaux de temps. Aujourd’hui, les deux expériences ont passé avec succès le cap de l’examen par les pairs, plaçant ainsi ce phénomène “impossible” dans le domaine de la réalité.

“Nous avons pris ces idées théoriques que nous avons explorées au cours des deux dernières années et nous les avons réellement construites en laboratoire”, a déclaré l’un des chercheurs, Andrew Potter, de l’université du Texas à Austin.

“Espérons que ce n’est que le premier exemple de ces cristaux, et qu’il y en aura beaucoup d’autres à l’avenir.”

Les cristaux temporels sont l’une des choses les plus cool que la physique nous ait livrées ces derniers mois, car ils laissent entrevoir un tout nouveau monde de phases de “non-équilibre” qui sont entièrement différentes de tout ce que les scientifiques ont étudié par le passé.

Pendant des décennies, nous avons étudié la matière, comme les métaux et les isolants, définie comme étant “en équilibre” – un état où tous les atomes d’un matériau ont la même quantité de chaleur.

Aujourd’hui, il semble que les cristaux temporels soient le premier exemple de l’état “hors équilibre” de la matière, supposé mais non étudié, et ils pourraient révolutionner la manière dont nous stockons et transférons les informations via les systèmes quantiques.

“Cela montre que la richesse des phases de la matière est encore plus vaste [que nous le pensions]”, a déclaré à Gizmodo le physicien Norman Yao de l’université de Californie à Berkeley, qui a publié le plan en janvier .

“L’un des Graals de la physique est de comprendre quels types de matière peuvent exister dans la nature. [Les phases de non-équilibre représentent une nouvelle voie différente de toutes les choses que nous avons étudiées dans le passé.”

Proposés pour la première fois par le physicien théoricien Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, en 2012, les cristaux temporels sont des structures hypothétiques qui semblent avoir du mouvement même dans leur état d’énergie le plus bas, appelé état fondamental.

Habituellement, lorsqu’un matériau entre dans son état fondamental – également appelé “énergie du point zéro” d’un système – le mouvement devrait théoriquement être impossible, car il nécessiterait une dépense d’énergie.

Mais M. Wilczek a imaginé un objet qui pourrait se mouvoir éternellement tout en restant dans son état fondamental, en modifiant périodiquement l’alignement des atomes à l’intérieur du cristal, encore et encore, pour sortir de l’état fondamental, y revenir et recommencer.

Soyons clairs : il ne s’agit pas d’une machine à mouvement perpétuel, car l’énergie du système est nulle. Mais l’hypothèse semblait initialement improbable pour une autre raison.

Elle laisse entrevoir un système qui rompt l’une des hypothèses les plus fondamentales de notre compréhension actuelle de la physique – la symétrie de translation temporelle, qui stipule que les lois de la physique sont les mêmes partout et à tout moment.

Comme l’explique Daniel Oberhaus pour Motherboard, la symétrie de translation temporelle est la raison pour laquelle il est impossible de lancer une pièce de monnaie à un moment donné et d’avoir une chance sur deux d’obtenir pile ou face, alors que la fois suivante, la chance est soudainement de 70/30.

Mais certains objets peuvent briser cette symétrie dans leur état fondamental sans violer les lois de la physique.

Prenons l’exemple d’un aimant avec une extrémité nord et une extrémité sud. On ne sait pas très bien comment un aimant “décide” de l’extrémité nord et de l’extrémité sud, mais le fait qu’il ait une extrémité nord et une extrémité sud signifie qu’il n’aura pas la même apparence aux deux extrémités : il est naturellement asymétrique.

Un cristal est un autre exemple d’objet physique dont l’état fondamental est asymétrique.

Les cristaux sont connus pour leurs motifs structurels répétitifs, mais les atomes qui les composent ont des positions “préférées” au sein du réseau. Ainsi, selon l’endroit où vous observez un cristal dans l’espace, il aura un aspect différent. Les lois de la physique ne sont plus symétriques, car elles ne s’appliquent pas de la même manière à tous les points de l’espace.

Dans cet esprit, Wilczek a proposé qu’il soit possible de créer un objet qui atteigne un état fondamental asymétrique non pas dans l’espace, comme les cristaux ou les aimants ordinaires, mais dans le temps.

En d’autres termes, les atomes pourraient-ils préférer des états différents à des intervalles de temps différents ?

Quelques années plus tard, des chercheurs américains et japonais ont montré que c’était possible, à condition d’apporter une modification majeure à la proposition de Wilczek : pour que les cristaux temporels changent d’état à plusieurs reprises, il fallait leur donner un “coup de pouce” de temps en temps.

En janvier de cette année, Norman Yao a décrit comment un tel système pouvait être construit, le décrivant à Elizabeth Gibney de Nature comme un type de violation de symétrie “plus faible” que ce que Wilczek avait imaginé.

“C’est comme jouer avec une corde à sauter, et d’une certaine manière notre bras fait deux fois le tour, mais la corde ne fait qu’un tour”, dit-il, ajoutant que dans la version de Wilczek, la corde oscillerait toute seule.

“C’est moins bizarre que la première idée, mais c’est toujours aussi bizarre”

cristal temporel qui semblait tout aussi viable. Deux équipes de chercheurs distinctes, l’une dirigée par l’Université du Maryland et l’autre par l’Université de Harvard, ont repris ce modèle et l’ont utilisé pour créer deux versions différentes d’un cristal temporel

“Les deux systèmes sont vraiment cool. Ils sont en quelque sorte très différents. Je pense qu’ils sont extrêmement complémentaires”, a déclaré Yao à Gizmodo.

“Je ne pense pas que l’un soit meilleur que l’autre. Elles s’intéressent à deux régimes différents de la physique. Le fait que vous observiez cette phénoménologie similaire dans des systèmes très différents est vraiment étonnant.”

Décrits dans des articles pré-imprimés en janvier, les cristaux temporels de l’université du Maryland ont été créés en prenant une ligne de conga de 10 ions ytterbium, tous avec des spins électroniques enchevêtrés.

Chris Monroe, Université du Maryland

Comme Fiona MacDonald l’a rapporté pour nous à l’époque :

“La clé pour transformer cette configuration en un cristal temporel était de maintenir les ions hors d’équilibre, et pour ce faire, les chercheurs les ont frappés alternativement avec deux lasers. Un laser créait un champ magnétique et le second laser inversait partiellement les spins des atomes”

Comme les spins de tous les atomes étaient enchevêtrés, les atomes se sont installés dans un modèle stable et répétitif de retournement de spin qui définit un cristal, mais il a fallu quelque chose de vraiment étrange pour devenir un cristal temporel : le modèle de retournement de spin dans le système s’est répété deux fois moins vite que les impulsions laser.

“Ne serait-il pas très étrange de secouer la gelée et de constater qu’elle réagit à une période différente ? A expliqué Yao.

Le cristal temporel de Harvard a utilisé des diamants chargés de tellement d’impuretés d’azote qu’ils sont devenus noirs.

Le diamant de Harvard. Crédit : Georg Kucsko

Le spin de ces impuretés a pu être inversé comme celui des ions d’ytterbium dans l’expérience du Maryland.

C’était un moment passionnant pour la physique, mais maintenant les choses sont enfin officielles, car les deux expériences ont passé l’examen par les pairs et apparaissent maintenant dans des articles séparés dans Nature, ici et ici.

Maintenant que nous savons que ces objets existent, il est temps d’en fabriquer d’autres et de les utiliser.

L’une des applications les plus prometteuses des cristaux temporels est l’informatique quantique. Ils pourraient permettre aux physiciens de créer des systèmes quantiques stables à des températures bien plus élevées que celles que l’on peut atteindre actuellement, et cela pourrait être le coup de pouce dont nous avons besoin pour que l’informatique quantique devienne enfin une réalité.

Nous sommes impatients de voir où la recherche va nous mener.