Des chercheurs obtiennent le tout premier enregistrement vidéo d’un cristal temporel

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| MPI-IS

Un titre qui paraît digne d’un film SF, et pourtant… Une équipe de chercheurs a réussi à créer un cristal temporel (spatio-temporel) de taille micrométrique — constitué de magnons à température ambiante — et à filmer son comportement grâce à un microscope à rayons X ultra-précis. Il s’agit de la toute première fois au monde qu’une structure de magnétisation périodique récurrente a pu être filmée.

C’est une équipe de recherche germano-polonaise qui est à l’origine de cette véritable prouesse technique. Les chercheurs ont créé un cristal temporel de la taille d’un micromètre, constitué de magnons à température ambiante, puis à l’aide du microscope à rayons X à transmission par balayage Maxymus du Helmholtz Zentrum Berlin, ils ont pu filmer la structure de magnétisation périodique récurrente dans le cristal.

Un cristal est un solide dont les atomes ou molécules sont régulièrement disposés dans une structure particulière. Si l’on regarde l’arrangement au microscope, on découvre un atome ou une molécule toujours aux mêmes intervalles. Il en va de même pour les cristaux d’espace-temps : cependant, la structure récurrente existe non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps. Les plus petits composants sont constamment en mouvement jusqu’à ce que, après un certain temps, ils se réarrangent dans le motif d’origine.

Une découverte révolutionnaire

En 2012, le lauréat du prix Nobel de physique Frank Wilczek a découvert la symétrie de la matière dans le temps. Il est considéré comme le découvreur de ces soi-disant cristaux temporels, bien qu’en tant que théoricien, il ne les ait prédits que de manière hypothétique.

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Depuis, plusieurs scientifiques ont recherché des matériaux dans lesquels le phénomène pourrait être observé. La véritable existence des cristaux spatio-temporels a été confirmée pour la première fois en 2017. Cependant, les structures en question n’étaient que de quelques nanomètres et ne se sont formées qu’à des températures très froides, inférieures à –250 degrés Celsius.

Le fait que l’équipe de chercheurs germano-polonais ait maintenant réussi à imager des cristaux spatio-temporels relativement grands (de quelques micromètres), et ce à température ambiante, est donc considéré comme révolutionnaire. La prouesse réside aussi dans le fait qu’ils ont pu montrer que leur cristal temporel, constitué de magnons, peut interagir avec d’autres magnons qui le rencontrent.

Une expérience exceptionnelle

« Nous avons pris le modèle régulièrement récurrent des magnons dans l’espace et le temps, avons envoyé plus de magnons et ils se sont finalement dispersés. Ainsi, nous avons pu montrer que le cristal temporel peut interagir avec d’autres quasiparticules. Personne n’a encore pu le montrer. directement dans une expérience, et encore moins en vidéo », déclare Nick Träger, doctorant à l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, auteur principal de la publication aux côtés de Pawel Gruszecki.

Dans leur expérience, Gruszecki et Träger ont placé une bande de matériau magnétique sur une antenne microscopique à travers laquelle ils ont envoyé un courant radiofréquence. Ce champ micro-ondes a déclenché un champ magnétique oscillant, une source d’énergie qui a stimulé les magnons dans la bande (la quasi-particule d’une onde de spin). Les ondes magnétiques ont migré dans la bande de gauche à droite, se condensant spontanément en un motif récurrent dans l’espace et le temps. Contrairement aux ondes stationnaires triviales, ce modèle s’est formé avant que les deux ondes convergentes ne puissent même se rencontrer et interférer. Le motif, qui disparaît et réapparaît régulièrement, doit donc être un effet quantique.

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En haut : cette image à échelle de gris montre un instantané de la microscopie à rayons X à résolution temporelle du cristal temporel magnonique. En raison de ses interactions avec d’autres magnons, des ondes de spin ultra-courtes apparaissent, représentées dans l’image du bas. La phase est retranscrite dans la couleur, tandis que la luminosité représente l’amplitude. © MPI-IS

Gisela Schütz, directrice de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, qui dirige le département des systèmes magnétiques modernes, souligne le caractère unique de la caméra à rayons X utilisée : « Non seulement elle peut rendre les fronts d’onde visibles avec une très haute résolution, ce qui est 20 fois mieux que le meilleur microscope optique. Il peut même le faire jusqu’à 40 milliards d’images par seconde et avec une sensibilité extrêmement élevée aux phénomènes magnétiques ».

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« Nous avons pu montrer que ces cristaux spatio-temporels sont beaucoup plus robustes et répandus qu’on ne le pensait à première vue », déclare Pawel Gruszecki, scientifique à la faculté de physique de l’université Adam Mickiewicz à Poznań. « Notre cristal se condense à température ambiante et les particules peuvent interagir avec ce dernier – contrairement à un système isolé. De plus, il a atteint une taille qui pourrait être utilisée pour des applications concrètes ».

« Les cristaux classiques ont un champ d’applications très large. Maintenant, si les cristaux peuvent interagir non seulement dans l’espace mais aussi dans le temps, nous ajoutons une autre dimension aux applications possibles. Le potentiel des technologies de communication, de radar ou d’imagerie est énorme », conclut Joachim Gräfe, ancien chef de groupe de recherche au Département des systèmes magnétiques modernes et co-auteur de l’étude.

Source : Physical Review Letters

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