Des physiciens viennent de créer le premier cristal temporel du monde

Le mois dernier, des physiciens ont présenté les meilleurs arguments à ce jour pour expliquer pourquoi les cristaux de temps – des structures hypothétiques qui ont un mouvement sans énergie – pourraient techniquement exister en tant qu’objets physiques.

Aujourd’hui, quatre ans après leur première proposition, des scientifiques ont réussi à ajouter une quatrième dimension – le mouvement du temps – à un cristal pour la première fois, lui donnant la capacité d’agir comme une sorte de “gardien du temps” perpétuel.

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.

Ce qui intrigue les physiciens depuis des décennies, c’est que des phénomènes étranges se produisent lorsque certains objets, tels que les cristaux et les aimants, entrent dans leur état fondamental. Ils semblent violer une loi fondamentale de la physique, appelée symétrie de translation temporelle, et se retrouvent avec des états fondamentaux asymétriques.

Prenons l’exemple d’un aimant : chaque aimant a 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 autre exemple d’objet physique dont l’état fondamental est asymétrique est un cristal.

Les cristaux sont connus pour leurs motifs structurels répétitifs, mais d’une manière ou d’une autre, ils semblent être les mêmes lorsqu’ils sont vus depuis certaines directions, mais pas depuis d’autres. Ainsi, comme les aimants, selon l’endroit où vous observez un cristal dans l’espace, il aura une apparence différente.

Pour que l’état fondamental d’un matériau soit asymétrique, il faut qu’il atteigne cette asymétrie à l’arrêt, sans qu’aucune énergie ne soit impliquée.

Dans cette optique, 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.

Comme nous l’avons expliqué le mois dernier, en termes très simples, Wilczek envisageait un objet capable de se mouvoir éternellement dans son état fondamental – ou état d’énergie zéro – en passant périodiquement d’un état à l’autre, encore et encore.

Selon lui, il serait possible de construire un tel objet en plaçant des cristaux ordinaires dans un supraconducteur à basse température, car les cristaux s’alignent naturellement à basse température.

“Il semblait raisonnable de supposer que les atomes d’un tel cristal pourraient se déplacer ou tourner, puis revenir continuellement à leur état naturel, comme les cristaux ont l’habitude de le faire lorsqu’ils recherchent l’état d’énergie le plus bas”, explique Bob Yirka pour Phys.org.

Aujourd’hui, une équipe de l’université du Maryland a tenté une telle expérience, et il semble qu’elle fonctionne réellement.

Comme le rapporte le MIT Technology Review, en théorie, le processus est assez simple : il suffit de créer un système quantique dans lequel on “retient” un groupe d’ions en forme d’anneau, puis de les refroidir jusqu’à leur état d’énergie le plus bas.

On peut alors voir si le système rompt la symétrie – les lois de la physique prévoient que l’anneau restera parfaitement stationnaire, sans énergie de mouvement, mais si la symétrie temporelle était rompue à cet état fondamental, l’anneau pourrait alors varier, ou tourner, périodiquement dans le temps.

“Bien sûr, il ne serait jamais possible d’extraire de l’énergie de ce mouvement – cela violerait la conservation de l’énergie”, explique Tech Review. “Mais la rupture de symétrie temporelle se manifesterait par ce mouvement répétitif dans le temps, tout comme la rupture de symétrie spatiale se manifeste par des motifs répétitifs dans l’espace.”

Si les choses étaient aussi simples que ce que nous venons de décrire, Wilczek aurait construit un tel système en 2012. Mais il y a un problème : comme les particules quantiques ont tendance à changer de position dans l’espace, elles ne sont pas influencées par les variables temporelles, ce qui signifie qu’elles n’évoluent pas dans le temps.

La première étape consistait pour l’université du Maryland à trouver un système quantique qui le soit.

Pour ce faire, ils ont enchaîné une ligne d’ions d’ytterbium dont les spins interagissent les uns avec les autres et les ont maintenus dans un état de déséquilibre. Cela a obligé les ions quantiques à se “localiser” dans un espace spécifique, et donc à être influencés par le temps.

À l’aide d’un laser, l’équipe a pu commencer à modifier le spin d’ions d’ytterbium spécifiques, et en faisant basculer le spin d’un ion, elle a fait basculer le suivant, et ainsi de suite jusqu’à ce que chaque ion oscille.

Une fois que le laser a été utilisé pour déclencher le premier, l’oscillation était perpétuelle et, avec le temps, les chercheurs ont remarqué quelque chose d’étrange.

Comme l’explique Tech Review :

“Ces gars ont découvert qu’après avoir laissé le système évoluer, les interactions se produisaient à un rythme deux fois supérieur à la période initiale. Étant donné qu’aucune force motrice ne correspond à cette période, la seule explication possible est que la symétrie temporelle a dû être brisée, permettant ainsi ces périodes plus longues. En d’autres termes, [ils] avaient créé un cristal de temps”

Pour être clair, nous ne parlons pas ici de machines à mouvement perpétuel, car par définition, il n’y a pas d’énergie dans ces systèmes.

Mais cela démontre que les cristaux temporels peuvent se produire dans un système physique réel, et l’équipe affirme qu’ils pourraient nous aider à résoudre le problème de la mémoire quantique – c’est-à-dire comment conserver les informations dans la future génération d’ordinateurs quantiques.

Les chercheurs ont soumis leurs résultats au site Web de préimpression arXiv.org, afin qu’ils soient examinés par leurs pairs physiciens. Nous devrons donc attendre de voir si leur expérience peut être reproduite de manière indépendante. Nous devrons donc attendre de voir si leur expérience peut être reproduite de manière indépendante. Mais si c’est le cas, nous commençons tout juste à réaliser le potentiel de ce cristal temporel incroyablement étrange.