Des chercheurs ont créé le premier quasi-cristal temporel au monde, une nouvelle phase de la matière qui remet en question les notions conventionnelles du temps et du mouvement. Il a été mis au point en bombardant un minuscule diamant avec de puissants faisceaux d’azote – de façon à éliminer certains atomes de carbone et à induire des interactions quantiques entre les électrons. Ce matériau novateur pourrait aboutir à des applications intéressantes, allant des composants informatiques aux capteurs quantiques de haute performance.
Les cristaux sont caractérisés par leur structure interne hautement organisée, suivant des motifs répétitifs et prévisibles. Cet agencement particulier, appelé « périodicité », leur confère leur éclat distinctif. Si ces cristaux présentent une périodicité dans l’espace, les cristaux temporels, eux, en possèdent également une dans le temps. Autrement dit, leurs atomes vibrent à des fréquences constantes et répétitives, les rendant ainsi cristallisés dans ces quatre dimensions physiques.
Les cristaux temporels peuvent être comparés à des horloges autonomes, n’ayant besoin ni de remontage, ni de piles ni de batterie, puisqu’en théorie, ils peuvent fonctionner indéfiniment. Toutefois, ces structures sont particulièrement sensibles aux perturbations environnementales et ne conservent généralement leur cycle que sur une centaine d’oscillations avant de s’arrêter.
Découverts récemment, les quasi-cristaux se distinguent par une caractéristique étonnante : ils sont ordonnés, mais ne présentent pas de périodicité. Alors que la périodicité était considérée comme intrinsèquement liée aux phases cristallines, ces structures remettent en cause cette hypothèse. Leur agencement atomique n’est ni totalement aléatoire, comme dans les matériaux amorphes, ni strictement régulier, comme dans les cristaux conventionnels.
Bien que les cristaux temporels aient été découverts en 2016, une équipe codirigée par l’Université de Washington, à Saint-Louis, a développé pour la première fois un quasi-cristal temporel. « C’est une toute nouvelle phase de la matière », explique Chong Zu, chercheur aux départements de physique de l’Université de Washington et Harvard, et coauteur de l’étude. « Nous pensons être le premier groupe à avoir créé un véritable quasi-cristal temporel », ajoute l’auteur principal de la recherche, Guanghui He, également de l’Université de Washington.
Des espaces vides permettant des interactions quantiques entre les électrons
Les quasi-cristaux conservent une structure hautement organisée, bien que leurs atomes ne suivent pas un agencement identique dans toutes les dimensions. De manière analogue, les quasi-cristaux temporels vibrent à des fréquences différentes selon chaque dimension. Leur rythme, bien que précis et structuré, s’apparente davantage à un accord musical qu’à une note unique.
Pour concevoir un quasi-cristal temporel, He et ses collègues ont utilisé un minuscule diamant d’un millimètre de diamètre, soumis à un bombardement de faisceaux d’azote suffisamment puissants pour expulser certains atomes de carbone. Cette opération a laissé des espaces vides, chacun de la taille d’un atome, où les électrons peuvent se déplacer librement et interagir quantiquement avec leurs voisins.
Les chercheurs ont appliqué la même approche pour mettre au point un microscope quantique à diamant. Chaque quasi-cristal temporel contient plus d’un million de vides (laissés par les atomes de carbone supprimés) et mesure environ un micromètre de diamètre, ce qui nécessite l’usage d’un microscope pour être observé. L’équipe a ensuite utilisé des impulsions micro-ondes pour initier les rythmes dans ces quasi-cristaux temporels. « Les micro-ondes stabilisent la structure temporelle », explique Bingtian Ye, chercheur au département de physique de l’Université Harvard et co-auteur de l’étude, publiée dans la revue Physical Review X.
Un matériau qui pourrait améliorer l’informatique quantique
Les cristaux et quasi-cristaux temporels ne se contentent pas de valider certaines théories fondamentales de la mécanique quantique : ils pourraient également déboucher sur des applications majeures. Dans le domaine de l’informatique quantique, ces structures offriraient à la fois stabilité et efficacité énergétique. « Ils pourraient stocker de la mémoire quantique sur de longues périodes, à l’image d’un équivalent quantique de la mémoire RAM », suggère Chong Zu.
Ces matériaux pourraient également servir de capteurs quantiques de haute précision et de longue durée, étant sensibles aux forces quantiques telles que le magnétisme. De plus, ils présentent un avantage pour le chronométrage de précision. Contrairement aux horloges conventionnelles, sujettes aux dérives et nécessitant des étalonnages réguliers, les cristaux temporels maintiennent, en théorie, une fréquence constante avec une perte d’énergie minimale. Une horloge à quasi-cristal pourrait quant à elle mesurer plusieurs fréquences simultanément, offrant ainsi un aperçu détaillé de l’évolution d’un matériau quantique.
Toutefois, des recherches supplémentaires sont nécessaires avant d’envisager une exploitation concrète des cristaux et quasi-cristaux temporels, que ce soit pour des applications en chronométrie ou en informatique quantique. « Nous sommes encore loin de ce type de technologie, mais la création d’un quasi-cristal temporel constitue une avancée importante », conclut Guanghui He.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]