Pour la première fois, les physiciens ont fait interagir des cristaux temporels

Il y a quelques années, les physiciens découvraient les cristaux temporels, un état étonnant de la matière cristalline dans laquelle les atomes composant la structure oscillent à une fréquence particulière et régulière, offrant une répétition structurale à la fois dans l’espace et le temps. Récemment, des chercheurs ont découvert que cette stabilité structurale n’était pas perturbée lors d’interactions entre deux cristaux temporels. Cette préservation de la cohérence interne pourrait ouvrir la voie au développement de nombreux systèmes quantiques.

Dans un superfluide d’hélium-3, deux cristaux temporels ont échangé des quasi-particules sans perturber leur cohérence ; une réalisation qui, selon les chercheurs, ouvre des possibilités pour des domaines émergents tels que le traitement de l’information quantique, où la cohérence est d’une importance vitale.

« Contrôler l’interaction de deux cristaux temporels est une réalisation majeure. Avant cela, personne n’en avait observé dans le même système, et encore moins ne les avait vus interagir. Les interactions contrôlées sont l’élément numéro un sur la liste de souhaits de quiconque cherche à exploiter un cristal temporel pour des applications pratiques, telles que le traitement de l’information quantique », explique le physicien Samuli Autti de l’Université de Lancaster au Royaume-Uni.

Une structure cristalline stable dans le temps et l’espace

Ces cristaux sont assez fascinants. Ils ressemblent à des cristaux normaux, mais ils présentent une propriété supplémentaire et particulière. Dans les cristaux réguliers, les atomes sont disposés dans une structure de grille tridimensionnelle fixe, comme le réseau atomique d’un diamant ou d’un cristal de quartz. Ces réseaux répétitifs peuvent différer par leur configuration, mais ils n’évoluent pas beaucoup : ils se répètent uniquement dans l’espace.

Dans les cristaux temporels, les atomes se comportent un peu différemment. Ils oscillent, tournant d’abord dans un sens, puis dans l’autre. Ces oscillations — appelées « ticking » — sont verrouillées sur une fréquence régulière. Ainsi, là où la structure des cristaux réguliers se répète dans l’espace, dans les cristaux temporels, elle se répète dans l’espace et le temps.

Théoriquement, les cristaux temporels oscillent dans leur état d’énergie le plus bas possible — connu sous le nom d’état fondamental — et sont donc stables et cohérents sur de longues périodes. Cela pourrait être exploité, mais seulement si leur cohérence pouvait être préservée dans une interaction contrôlée.

Cristaux temporels : les interactions préservent la cohérence quantique

Ainsi, Autti et ses collègues du Royaume-Uni et de la Finlande ont mis en place une expérience pour tester ces interactions. Premièrement, ils ont refroidi l’hélium-3 — un isotope stable de l’hélium avec deux protons mais un seul neutron — à un dix millième de degré du zéro absolu, créant un superfluide en phase B, un fluide à viscosité nulle à basse pression.

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Dans ce milieu, les deux cristaux temporels sont apparus comme des condensats de Bose-Einstein de magnons (des quasi-particules) spatialement distincts. Les magnons ne sont pas de vraies particules, mais consistent en une excitation collective du spin des électrons — comme une onde qui se propage à travers un réseau de spins. Lorsque les physiciens ont laissé les deux cristaux temporels se toucher, ils ont échangé des magnons — ce qui a changé l’oscillation en la phase opposée sans perturber la cohérence.

Les résultats étaient cohérents avec un phénomène de supraconductivité connu sous le nom d’effet Josephson, dans lequel un courant circule entre deux morceaux de matériau supraconducteur séparés par un isolant mince connu sous le nom de jonction Josephson. Ces structures sont l’une des nombreuses à explorer pour la construction de qubits, les unités de base de l’information dans un ordinateur quantique. Ce n’est qu’une interaction très simple, mais cela ouvre la voie pour essayer de créer et de contrôler des interactions beaucoup plus sophistiquées.

« Nos résultats démontrent que les cristaux temporels obéissent à la dynamique générale de la mécanique quantique et offrent une base pour approfondir les propriétés fondamentales de ces phases, ouvrant des voies pour des applications possibles dans des domaines en développement, tels que le traitement de l’information quantique. Les systèmes quantiques cohérents à longue durée de vie avec des interactions accordables, comme les cristaux de temps robustes étudiés ici, fournissent une plate-forme pour la construction de nouveaux dispositifs quantiques basés sur des phénomènes cohérents en spin », concluent les chercheurs.

Sources : Nature Materials