Un nouveau cristal temporel, fabriqué uniquement à partir de billes de polystyrène et de haut-parleurs acoustiques, lévite au-dessus d’un coussin d’ondes sonores et présente des mouvements périodiques dus à un échange d’ondes. Les particules ou les billes qui le composent échangent des ondes sonores diffusées de manière non réciproque, donnant lieu à des interactions hors équilibre dans un milieu actif. Ce cristal pourrait avoir des applications intéressantes pour l’informatique quantique et les technologies de stockage de données.
Les matériaux cristallins, tels que le quartz, le diamant ou le sel de table, sont caractérisés par leurs motifs répétitifs. Les atomes qui les composent sont agencés de sorte à former des motifs très précis et qui se répètent dans l’espace, ce qui leur confère une texture lisse et une grande solidité.
En revanche, plutôt que de se répéter uniquement dans l’espace, les cristaux temporels se répètent également dans le temps. Proposés pour la première fois en 2012 par le physicien théoricien Frank Wilczek, les atomes qui les forment se déplacent de manière régulière selon un cycle répétitif et, en théorie, infini.
Depuis leur première proposition, ils sont devenus un axe de recherche très actif en raison de leurs nombreuses possibilités d’application. Ils pourraient par exemple, dans un cadre strictement théorique, alimenter indéfiniment une horloge sans aucune alimentation externe. Leur périodicité temporelle pourrait aussi ouvrir la voie à des technologies de stockage de données et à l’informatique quantique.
Des structures se rapprochant du concept initial
Cependant, le concept initial de Wilczek s’est révélé pratiquement impossible à réaliser. En conséquence, il n’existe actuellement pas encore d’applications commerciales ou industrielles concrètes des cristaux temporels. Des physiciens ont néanmoins développé des structures ou des phases de la matière qui s’en rapprochent.
En utilisant l’ordinateur quantique Sycamore de Google, des chercheurs ont par exemple créé un réseau spécifique d’atomes qui subissent des modifications répétitives dans le temps en étant exposés à un faisceau laser. Des cristaux liquides, les mêmes que ceux utilisés pour les écrans LCD, pourraient aussi entrer en mouvement et générer des motifs qui se répètent dans le temps lorsqu’ils sont éclairés selon certaines conditions.
Dans une étude récemment publiée dans Physical Review Letters, une équipe de l’Université de New York propose un nouveau cristal temporel basé sur le son. « Les cristaux temporels fascinent non seulement par les possibilités qu’ils offrent, mais aussi par leur aspect à la fois exotique et complexe », explique David Grier, professeur de physique, directeur du Centre de recherche sur la matière molle de l’Université de New York et coauteur principal de l’étude, dans un billet de blog. « Notre système est remarquable par son incroyable simplicité », indique-t-il.
Des chercheurs en physique de l’Université de New York ont observé un nouveau type de cristal temporel : ses particules lévitent sur un coussin de son tout en interagissant entre elles par échange d’ondes sonores. Ci-dessus, une perle (violette) est suspendue dans les airs par des ondes sonores émises par des haut-parleurs circulaires (noirs) disposés dans un cadre imprimé en 3D de 15 cm de haut. © Centre de recherche sur la matière molle de l’Université de New YorkUn cristal temporel basé sur le son
Le nouveau cristal temporel est constitué de billes de polystyrène (comme ceux utilisés pour le rembourrage des cartons) lévitant sur un coussin de son et interagissant entre elles par le biais d’un échange d’ondes sonores. « Les ondes sonores exercent des forces sur les particules, tout comme les vagues à la surface d’un étang peuvent exercer des forces sur une feuille flottante », explique Mia Morrell, doctorante à l’Université de New York et auteure principale de l’étude. « On peut faire léviter des objets contre la gravité en les immergeant dans un champ sonore appelé onde stationnaire. »
Ces interactions ne sont pas soumises à la troisième loi de Newton (ou principe d’action-réaction), stipulant que les forces régissant les objets sont toujours exercées par paires opposées et équilibrées. En d’autres termes, un corps exerçant une force sur un autre corps subira une force égale et opposée.
Plutôt que d’échanger des forces équivalentes entre elles, les billes (ou les particules) du cristal temporel interagissent par le biais d’ondes sonores déséquilibrées. Les billes plus volumineuses diffusent davantage de son que celles plus petites et les grosses particules influencent ainsi davantage les petites.
Image en stop-motion montrant des paires de billes millimétriques formant un cristal temporel sur une durée d’environ un tiers de seconde. Les couleurs représentent les interactions entre les billes à différentes étapes de cette période. © Centre de recherche sur la matière molle de l’Université de New YorkPour l’analogie, « imaginez deux ferries de tailles différentes s’approchant d’un quai. Chacun crée des vagues qui repoussent l’autre, mais à des degrés différents selon leur taille », explique Morrell. Ce déséquilibre dans la diffusion d’ondes sonores permet aux billes d’osciller spontanément lorsqu’elles lévitent, selon un rythme périodique et précis, ce qui en ferait l’un des cristaux temporels expérimentaux les plus simples décrits à ce jour.
Suspendus à l’intérieur d’un dispositif d’une quinzaine de centimètres de haut et mesurant entre 2 et 5 millimètres de diamètre pour chaque bille, il s’agit aussi de l’un des rares cristaux temporels observables à l’œil nu.
Mis à part les potentielles applications technologiques qui pourraient en découler, les caractéristiques de ce cristal temporel pourraient aussi contribuer à améliorer la compréhension de certains systèmes biologiques hors équilibre, tels que les rythmes circadiens, dans lesquels des interactions non réciproques jouent un rôle central.