Au cours de la dernière décennie, les cristaux temporels ont fait l’objet de nombreuses recherches, en tant que nouvelle phase de la matière. Ils ont même déjà été créés en laboratoire dans des systèmes isolés. Mais ces expériences nécessitent des températures extrêmement basses et d’autres conditions rigoureuses pour minimiser les perturbations externes indésirables. Pour la première fois, une équipe de chercheurs, de l’Université de Californie à Riverside, rapporte avoir créé des cristaux temporels dans un système non isolé de leur environnement ambiant (à température ambiante). Une avancée majeure, qui suggère que cette phase étrange de la matière pourrait être exploitée pour des applications pratiques.
Un cristal temporel est une structure périodique dans le temps et l’espace. À l’instar d’un cristal standard, une telle structure se compose de particules ordonnées, qui forment un réseau bien spécifique (chacune occupant une position définie) ; mais la répétition du motif cristallin se fait ici non seulement dans les trois dimensions de l’espace, mais aussi de manière périodique dans le temps, à la manière d’un oscillateur. Autrement dit, les particules d’un cristal temporel se déplacent et retournent périodiquement à leur état initial. Elles affichent ainsi un mouvement perpétuel, mais sans aucun apport d’énergie.
Cette phase étrange de la matière a été prédite pour la première fois par le physicien américain Frank Wilczek en 2012, qui a suggéré qu’il pourrait être possible pour les atomes de changer au fil du temps, même lorsqu’ils se trouvent à leur état de plus basse énergie (l’état fondamental). Pour étudier les cristaux temporels, les scientifiques utilisent habituellement des condensats de Bose-Einstein, qui doivent être maintenus à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu — ce qui nécessite un équipement de laboratoire très spécifique. Mais Hossein Taheri, professeur adjoint de recherche en génie électrique et informatique, et ses collègues de l’UC Riverside, ont réussi à créer des cristaux temporels à température ambiante.
Des propriétés très recherchées pour le calcul quantique
Ces nouveaux cristaux temporels persistent indéfiniment à température ambiante, malgré le bruit ambiant et la perte d’énergie. « Lorsque votre système expérimental échange de l’énergie avec son environnement, la dissipation et le bruit travaillent main dans la main pour détruire l’ordre temporel. Dans notre plateforme photonique, le système établit un équilibre entre le gain et la perte pour créer et préserver des cristaux temporels », explique Taheri dans un communiqué. Ces résultats ouvrent la voie au développement de cristaux temporels à l’échelle de la puce, qui peuvent être utilisés dans des environnements réels, loin des équipements sophistiqués de laboratoire.
Dans un cristal standard, les atomes forment un empilement tridimensionnel (appelé réseau cristallin) bien défini et fixe ; le même motif se répète dans l’espace. Dans un cristal temporel, les atomes oscillent en quelque sorte entre deux positions, selon une fréquence particulière. Le motif qu’ils forment se répète ainsi à la fois dans l’espace et dans le temps. Taheri et son équipe sont parvenus à mettre au point de tels cristaux temporels, sous forme de systèmes quantiques entièrement optiques, sans utiliser de système de refroidissement.
Pour ce faire, ils ont utilisé un microrésonateur, un disque en verre de fluorure de magnésium (MgF2) de seulement un millimètre de diamètre. Lorsqu’ils ont bombardé ce dispositif optique avec deux faisceaux laser indépendants, ils ont pu observer des pics sous-harmoniques (des solitons optiques, soit des ondes solitaires robustes dont la forme est préservée lors de leur propagation), qui indiquaient une rupture de la symétrie temporelle et donc, la création de cristaux temporels. « La modification spontanée de la symétrie de translation temporelle discrète dans des systèmes physiques forcés périodiquement peut créer un cristal temporel discret constituant un état de la matière possédant des propriétés telles que l’ordre et la cohérence temporelle rigide à longue portée », expliquent les chercheurs dans Nature Communications, ajoutant que ces propriétés sont particulièrement recherchées pour le calcul quantique.
Une plateforme idéale pour étudier les phénomènes liés aux cristaux temporels
L’équipe a utilisé une technique appelée « verrouillage par auto-injection », qui garantit que les faisceaux laser conservent une certaine fréquence optique, ce qui permet d’obtenir une certaine robustesse face aux perturbations de l’environnement. Les signatures de l’état de répétition temporelle de ce système optique peuvent facilement être mesurées dans le domaine de fréquences, notent les chercheurs. Par conséquent, cette approche facilite l’étude des cristaux temporels. « Nos résultats inaugurent une plateforme photonique idéale pour démontrer expérimentalement tout un ensemble de phénomènes cristallins temporels », soulignent-ils.
Étant donné qu’il ne nécessite pas d’être maintenu à basse température, le système peut être déplacé hors d’un laboratoire pour des applications sur le terrain. L’une de ces applications pourrait être la mesure très précise du temps : la fréquence et le temps étant des grandeurs inverses d’un point de vue mathématique (f = 1/T, où T désigne la période en secondes), mesurer précisément la fréquence permet donc de mesurer tout aussi précisément le temps.
Les cristaux temporels pourraient même être intégrés, un jour, dans des ordinateurs quantiques. « Nous espérons que ce système photonique pourra être utilisé dans des sources de radiofréquence compactes et légères présentant une stabilité supérieure, ainsi que dans le chronométrage de précision », a déclaré Taheri. En attendant, les scientifiques pourront explorer plus avant les propriétés des cristaux temporels, en particulier les transitions de phase et les interactions entre différents cristaux de ce type.