Les cristaux temporels sont officiellement un nouvel état de la matière, et il est désormais possible de les créer !

Plus tôt cette année, des physiciens affirmaient avoir réussi à créer des cristaux temporels en laboratoire, un état étrange de la matière possédant une structure atomique qui se répète non seulement dans l’espace, mais également dans le temps, le mettant en mouvement perpétuel, sans nécessiter d’énergie. C’est aujourd’hui confirmé : les études des deux équipes (indépendantes) de scientifiques ont passé avec succès les examens par les pairs !

« Nous avons pris ces idées théoriques qui nous suivent depuis ces dernières années, et nous les avons concrétisées en laboratoire. J’espère qu’il ne s’agit que du tout premier exemple et que beaucoup d’autres suivront encore », explique l’un des chercheurs, Andrew Potter de l’Université du Texas, à Austin.

Depuis des décennies, les scientifiques explorent la matière en équilibre (un état où tous les atomes dans un matériau possèdent la même quantité de chaleur), comme les métaux et les isolants par exemple. Mais avec le cristal temporel, nous sommes maintenant en présence du tout premier exemple de non-équilibre, qui pourrait conduire à des percées dans notre compréhension du monde, ainsi qu’à de nouvelles technologies, notamment dans le domaine des calculs quantiques.

« Cela démontre que la richesse des états de la matière est encore plus large [que nous le pensions] », explique le physicien Norman Yao de l’Université de Californie à Berkeley, chercheur principal de l’étude publiée en janvier 2017. « L’un des Saint Graals dans le domaine de la physique est de comprendre quels types de matière peuvent exister dans la nature. Les états de non-équilibre représentent une nouvelle voie, différente de toutes les choses que nous avons étudiées par le passé », continue-t-il.

Le concept de cristal temporel n’est pas nouveau : Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel de physique théorique, a prédit en 2012 que ces cristaux temporels sont des structures semblant être en mouvement, même à leur état d’énergie le plus bas, connu comme étant l’état fondamental. Habituellement, lorsqu’un matériau est en état fondamental (le point zéro d’un système), cela signifie que le mouvement devrait théoriquement être impossible, car cela nécessiterait de l’énergie.

En effet, Wilczek avait prédit que cela ne serait pas nécessaire pour le cristal temporel : il envisageait la possibilité qu’un objet puisse atteindre un mouvement éternel tout en étant dans son état fondamental, en changeant périodiquement l’alignement des atomes à l’intérieur du cristal et ce, à plusieurs reprises. Mais que ce soit clair : il ne s’agit pas d’une machine à mouvement perpétuel, car il n’y a pas d’énergie dans le système !

L’hypothèse semblait initialement improbable, mais pour une autre raison : car le système rompt l’une des hypothèses les plus fondamentales de notre compréhension actuelle de la notion de symétrie. En physique, la notion de symétrie affirme que les lois de la physique sont les mêmes partout et à tout moment. En fait, certains objets peuvent rompre la symétrie lorsqu’ils sont dans leur état fondamental, sans violer les lois de la physique.

Prenons un aimant par exemple, possédant une extrémité nord et une extrémité sud. Il n’est pas clairement défini comment un aimant « décide » quelle extrémité sera au nord et laquelle sera au sud, mais le fait qu’il possède un pôle nord et un pôle sud, signifie évidemment qu’il ne sera pas pareil aux deux extrémités : il est naturellement asymétrique. Un autre exemple d’un objet physique asymétrique dans son état fondamental est le cristal. Les cristaux sont connus pour leurs structures répétitives en surface, mais les atomes situés à l’intérieur de ceux-ci ont des positions « préférées ». Donc, selon l’endroit d’où vous observez un cristal dans l’espace, il sera différent : les lois de la physique ne sont donc plus symétriques, car elles ne s’appliquent pas de manière égale à tous les points de l’espace.

Wilczek a ensuite proposé qu’il puisse être possible de créer un objet qui atteint un état fondamental asymétrique, non pas à travers l’espace comme les cristaux ordinaires ou les aimants, mais à travers le temps. En d’autres termes, il s’est demandé si les atomes pouvaient préférer des états différents à des intervalles différents dans le temps.

Ce n’est que quelques années plus tard, que des chercheurs américains et japonais ont démontré que cela pouvait être possible, mais par le biais d’une modification majeure de la proposition initiale de Wilczek : afin que le cristal temporel reste en mouvement perpétuel dans son état fondamental, il aurait besoin d’un petit « coup de pouce » de temps à autre. Dans l’étude publiée en janvier dernier, Norman Yao a expliqué comment un tel système pourrait être construit, en le décrivant comme un type « plus faible » de violation de la symétrie, que ne le pensait Wilczek.

Les deux équipes distinctes de chercheurs, l’une dirigée par l’Université du Maryland, et l’autre par l’Université de Harvard, se sont basées sur le plan de construction du cristal temporel et ont créé deux versions différentes, qui semblaient toutes deux viables. « Les deux systèmes sont vraiment cool. Ils sont très différents. Je pense qu’ils sont extrêmement complémentaires, je ne pense pas que l’un soit meilleur que l’autre. Ils concernent deux régimes différents de la physique. Le fait de voir ce phénomène dans des systèmes très différents est vraiment surprenant », a déclaré Yao.

La version de cristal temporel créé par l’Université du Maryland a été réalisable grâce à l’aide d’une chaîne unidimensionnelle d’ions d’ytterbium :

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Grâce au plan créé par le physicien Norman Yao de l’Université de Californie à Berkeley, les physiciens de l’Université du Maryland ont produit le premier cristal temporel à l’aide d’une chaîne unidimensionnelle d’ions d’ytterbium. Chaque ion se comporte comme un spin électronique et présente des interactions à longue portée, indiquées par les flèches. Crédits : Chris Monroe/University of Maryland

Afin de créer un cristal temporel, l’équipe a du garder les ions hors de l’équilibre. Pour ce faire, les chercheurs ont alternativement dû les frapper avec deux faisceaux lasers. L’un des lasers a créé un champ magnétique, tandis que le second a partiellement retourné les spins des atomes. Vu que les spins de tous les atomes étaient enchevêtrés, ceux-ci ont adopté un modèle stable et répétitif d’inversion de rotation, qui définit un cristal. Mais pour que ce cristal devienne temporel, tout ce système devait pouvoir rompre la symétrie du temps. C’est à ce moment-là que les chercheurs ont remarqué un élément étrange dans l’expérience : les deux lasers qui frappaient périodiquement les atomes d’ytterbium, produisaient dans le système une répétition faisant deux fois la période des coups donnés aux atomes, ce qui ne pourrait pas se produire dans un système normal. « Ne serait-ce pas super bizarre si vous touchiez de la gelée, et que vous constatiez que d’une certaine manière, celle-ci répond (bouge) avec une période (fréquence) différente ? », demande Yao.

Quant au cristal temporel de l’Université de Harvard, il est différent : les chercheurs l’ont mis en place en utilisant des centres d’inoccupation de l’azote très denses, en diamant, offrant le même résultat final. Cependant, la très forte concentration d’impuretés d’azote a rendu ces diamants noirs.

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Le diamant de l’Université d’Harvard. Crédits : Soonwon Choi

La lumière verte révèle un cristal temporel formé dans un réseau de spins d’électrons (en rouge), dans les défauts d’un diamant. Crédits : Georg Kucsko

Une découverte marquante pour le domaine de la physique ! Et maintenant que les études ont été vérifiées par des pairs et que ce nouvel état de la matière est officiel, vous pouvez retrouver les publications originales dans la revue Nature (liens en sources).

Une des applications des plus prometteuses pour le cristal temporel est le domaine des calculs quantiques. Ces derniers pourraient permettre aux physiciens du monde entier de créer des systèmes quantiques stables à des températures beaucoup plus élevées que ce qui peut être atteint en ce moment. Cela pourrait être la percée nécessaire pour enfin parvenir à effectuer des calculs quantiques de manière efficace.

Sources : NATURE, APS PhysicsarXiv.org

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