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Encore un nouvel et très étrange état de la matière : des cristaux temporels ont été produits en laboratoire

10 Mar 2017 | 1 commentaire

time_crystals

Alors qu’il y a peu, des physiciens produisaient de la matière à la fois solide et liquide, chose déjà assez difficile à appréhender… et bien si vous êtes néophyte en la matière (dans les deux sens du terme) préparez du paracétamol, car voilà que d’autres ont également produit un nouvel état encore plus bizarre de la matière, connu sous le nom de cristal temporel, créé pour la première fois en laboratoire.

Alors que certains pourraient associer le mot “cristal” aux jolis verres de mamie ou à la boule de cristal de Mme Irma, en termes scientifiques un cristal est un matériau qui a une structure atomique répétitive. Cela signifie que si vous vous fixez sur un atome et que vous regardez dans n’importe quelle direction, vous verrez un motif répétitif d’autres atomes. Cette structure est courante dans la nature, par exemple, dans les flocons de neige, le sel ou les diamants.

A la différence, un cristal temporel répète son modèle dans le temps plutôt que dans l’espace. Les atomes qui le composent ne sont pas fixes et sont donc dans ce qui est appelé une phase “hors-équilibre” (“non-equilibrium”). Avec le fait que cela représente une percée dans l’étude de la matière, l’étrange matériau pourrait révolutionner la façon dont nous stockons et transférons l’information via les systèmes quantiques (calculateurs quantiques).

Deux équipes différentes ont réussi à créer ce qui ressemble beaucoup à des cristaux temporels en janvier, et ce mois-ci les deux expériences ont passé l’étape de l’évaluation par les pairs, mettant “l’impossible” phénomène dans le domaine de la réalité.

Selon Soonwon Choi, un étudiant en physique théorique à l’université d’Harvard et coauteur d’une des deux études :

Nous avons trouvé une nouvelle phase de la matière. C’est quelque chose se déplaçant dans le temps tout en étant stable.

Les cristaux temporels ont d’abord été proposés par le physicien théorique Frank Wilczek en 2012. Ce sont des structures hypothétiques qui semblent maintenir une oscillation constante sans énergie (ou à leur plus bas niveau d’énergie) connue sous le nom d’état fondamental (asymétrique) dans lequel le mouvement devrait théoriquement être impossible, car il lui faudrait dépenser de l’énergie. Cela fonctionne en raison des tout aussi étranges effets de la mécanique quantique, ce qui signifie que les atomes ou les ions peuvent interagir les uns avec les autres tout en étant éloignés.

Un cristal temporel possède des structures périodiques à la fois dans l’espace et dans le temps. Les particules disposées en un motif périodique dans l’espace tournent dans une direction même à l’état d’énergie la plus basse, déterminant la périodicité dans le temps. (T. Li et col., Phys. Rev. Lett. (2012))
cristal temporel1

Dans sa théorie originale, Wilczek a proposé un système au mouvement perpétuel, où les atomes se déplacent sans que de l’énergie ne soit introduite dans le système. Mais les nouveaux résultats sont un peu plus complexes que cela.

En janvier de cette année, Norman Yao de l’Université de Californie à Berkeley a publié un plan pour y arriver, un article décrivant comment un système le permettant pourrait être construit, mais avec une symétrie “plus faible” que Wilczek l’avait imaginé.

Selon Yao, lors de la publication de son étude en janvier :

C’est comme jouer avec une corde à sauter, et d’une façon ou d’une autre notre bras tourne deux fois, alors que la corde ne tourne qu’une seule fois.

Dans la version de Wilczek, la corde oscillait toute seule.

C’est moins étrange que la première idée, mais elle est toujours très bizarre.

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

Selon Andrew Potter, professeur adjoint de physique à l’Université du Texas à Austin :

Cela ouvre la porte à un tout nouveau monde de phases d’absence d’équilibre.

Nous avons pris ces idées théoriques que nous utilisons depuis deux ou trois ans et nous les avons construites en laboratoire. Nous espérons que ce n’est que le premier exemple du genre, avec beaucoup d’autres à venir.

Une équipe dirigée par Chris Monroe de l’Université du Maryland a construit un cristal temporel et Potter et Yao l’ont aidé à confirmer qu’il avait effectivement les propriétés qu’ils ont prédits.

Le matériau est constitué d’ions de l’élément ytterbium, le but du jeu étant de les conserver dans un état de non-équilibre (hors-équilibre). En appliquant un champ électrique, les chercheurs lévitent 10 de ces ions au-dessus d’une surface. Ensuite, ils frappent les atomes avec une impulsion laser, ce qui les a fait basculer. Ils les ont ensuite frappés encore et encore dans un rythme régulier, créant un modèle de mouvement répéter dans le temps.

Chris Monroe, Université du Maryland
cristal temporel 1

Une autre équipe, dirigée par Mikhail Lukin de l’université de Harvard, a créé un autre cristal temporel, un mois après la première équipe, dans ce cas, à partir d’un diamant contenant tellement d’impuretés d’azote qu’il en est noirci. Le spin (mouvement) de ces impuretés a pu être basculé d’avant en arrière comme le spin des ions ytterbium dans l’expérience du Maryland.

L’expérience avec diamant de l’université d’Harvard. (Georg Kucsko)
cristal temporel diamant

L’une des plus prometteuses applications des cristaux temporels est le calcul quantique. Ils pourraient potentiellement permettre de produire des systèmes quantiques beaucoup plus stables, l’une des plus grosses problématiques de l’informatique quantique auquel les chercheurs sont actuellement confrontés.

L’étude dirigée par l’université d’Harvard : Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system et l’étude de l’université du Maryland : Observation of a discrete time crystal. Une présentation des travaux sur le site de l’université du Maryland : Ions sync up into world’s first time crystal.

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