Des scientifiques ont confirmé une toute nouvelle phase de la matière : Les cristaux de temps

Depuis des mois, on spécule sur le fait que des chercheurs auraient enfin créé des cristaux temporels – d’étranges cristaux dont la structure atomique se répète non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps, ce qui les place en oscillation constante sans énergie.

C’est désormais officiel : des chercheurs viennent d’expliquer en détail comment fabriquer et mesurer ces étranges cristaux. Deux équipes indépendantes de scientifiques affirment avoir créé des cristaux de temps en laboratoire à partir de ce modèle, confirmant ainsi l’existence d’une toute nouvelle phase de la matière.

Cette découverte peut sembler assez abstraite, mais elle ouvre une toute nouvelle ère en physique. Pendant des décennies, nous avons étudié la matière définie comme étant “en équilibre”, comme les métaux et les isolants.

Mais il a été prédit qu’il existe dans l’Univers de nombreux autres types de matière étranges qui ne sont pas en équilibre et que nous n’avons même pas commencé à étudier, notamment les cristaux temporels. Et maintenant nous savons qu’ils sont réels.

Le fait que nous ayons maintenant le premier exemple de matière hors équilibre pourrait conduire à des percées dans notre compréhension du monde qui nous entoure, ainsi qu’à de nouvelles technologies telles que l’informatique quantique.

“Il s’agit d’une nouvelle phase de la matière, un point c’est tout, mais c’est aussi vraiment cool parce que c’est l’un des premiers exemples de matière hors équilibre”, a déclaré le chercheur principal Norman Yao de l’Université de Californie à Berkeley.

“Au cours du dernier demi-siècle, nous avons exploré la matière en équilibre, comme les métaux et les isolants. Nous commençons tout juste à explorer un tout nouveau paysage de matière hors équilibre.”

Prenons un peu de recul, car le concept de cristaux temporels circule depuis quelques années déjà.

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

Habituellement, lorsqu’un matériau est à l’état fondamental, également connu sous le nom d’énergie du point zéro d’ un système, le mouvement est théoriquement impossible, car il faudrait alors dépenser de l’énergie.

Mais selon M. Wilczek, cela pourrait ne pas être le cas pour les cristaux temporels.

Les cristaux normaux ont une structure atomique qui se répète dans l’espace, comme le réseau de carbone d’un diamant. Mais, tout comme un rubis ou un diamant, ils sont immobiles car ils sont en équilibre dans leur état fondamental.

Mais les cristaux de temps ont une structure qui se répète dans le temps, pas seulement dans l’espace. Et il continue à osciller dans son état fondamental.

Imaginez que c’est comme de la gelée – lorsque vous la tapotez, elle se secoue de manière répétée. La même chose se produit dans les cristaux de temps, mais la grande différence ici est que le mouvement se produit sans aucune énergie.

Un cristal de temps est comme une gelée qui oscille en permanence dans son état naturel, et c’est ce qui en fait une toute nouvelle phase de la matière – la matière hors équilibre. Il est incapable de rester immobile.

Mais c’est une chose de prédire l’existence de ces cristaux de temps, c’en est une autre de les fabriquer, et c’est là qu’intervient la nouvelle étude.

Yao et son équipe ont élaboré un plan détaillé décrivant exactement comment fabriquer et mesurer les propriétés d’un cristal temporel, et prédisant même les différentes phases entourant les cristaux temporels – ce qui signifie qu’ils ont établi l’équivalent des phases solide, liquide et gazeuse de cette nouvelle phase de la matière.

Publié dans Physical Review Letters, Yao qualifie cet article de “pont entre l’idée théorique et la mise en œuvre expérimentale”.

Et il ne s’agit pas seulement de spéculation. Sur la base du plan de Yao, deux équipes indépendantes – l’une de l’université du Maryland et l’autre de Harvard – ont suivi les instructions pour créer leurs propres cristaux de temps.

Ces deux développements ont été annoncés à la fin de l’année dernière sur le site de pré-impression arXiv.org (ici et ici), et ont été soumis pour publication dans des revues à comité de lecture. Yao est co-auteur des deux articles.

En attendant que les articles soient publiés, nous devons rester sceptiques quant aux deux affirmations. Mais le fait que deux équipes distinctes aient utilisé le même schéma pour fabriquer des cristaux de temps à partir de systèmes très différents est prometteur.

Les cristaux temporels de l’Université du Maryland ont été créés en prenant une ligne de conga de 10 ions d’ytterbium, tous avec des spins électroniques enchevêtrés.

Chris Monroe, Université du Maryland

Pour transformer cette configuration en un cristal de temps, il fallait maintenir les ions hors d’équilibre, et pour ce faire, les chercheurs les ont frappés alternativement avec deux lasers. Un laser a créé un champ magnétique et le second laser a partiellement inversé 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.

C’était assez normal, mais pour devenir un cristal temporel, le système devait briser la symétrie temporelle. En observant la ligne de conga des atomes d’ytterbium, les chercheurs ont remarqué qu’elle faisait quelque chose d’étrange.

Les deux lasers qui poussaient périodiquement les atomes d’ytterbium produisaient une répétition dans le système à deux fois la période des poussées, ce qui ne pouvait pas se produire dans un système normal.

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

“Mais c’est l’essence même du cristal temporel. Vous avez un pilote périodique qui a une période ‘T’, mais le système se synchronise d’une manière ou d’une autre de sorte que vous observez le système osciller avec une période qui est plus grande que ‘T’.”

Sous l’effet de différents champs magnétiques et d’impulsions laser, le cristal de temps changerait alors de phase, tout comme un glaçon qui fond.

Norman Yao, UC Berkeley

Le cristal de temps de Harvard était différent. Les chercheurs l’ont mis en place en utilisant des centres de vacance d’azote très denses dans des diamants, mais avec le même résultat.

“Des résultats aussi similaires obtenus dans deux systèmes très différents soulignent que les cristaux temporels constituent une nouvelle phase de la matière, et non une simple curiosité reléguée à des systèmes de petite taille ou très spécifiques”, explique Phil Richerme de l’université de l’Indiana, qui n’a pas participé à l’étude, dans un article accompagnant l’article.

“L’observation du cristal à temps discret… confirme que la rupture de symétrie peut se produire dans pratiquement tous les domaines naturels et ouvre la voie à plusieurs nouvelles pistes de recherche.”

Le plan de Yao a été publié dans Physical Review Letters, et vous pouvez consulter l’article sur le cristal temporel de Harvard ici, et celui de l’Université du Maryland ici.

Mise à jour du 31 janvier 2017 :Nous avions précédemment comparé l’oscillation constante des cristaux de temps comme étant en mouvement perpétuel à l’état fondamental, ce qui n’est pas exact. Nous avons maintenant corrigé cette explication.