Un gaz d’atomes excités en forte interaction offre pour la première fois la possibilité d’examiner un phénomène quantique stable et contraire aux règles à température ambiante. Un « cristal de temps » a récemment été créé à température ambiante pour la première fois, selon des chercheurs chinois, danois et autrichiens. La stabilité et la praticité de leur méthode de création ont ouvert la voie à une étude beaucoup plus large de ces systèmes quantiques rythmiques qui ne respectent pas les règles.
Les cristaux de temps n’ont rien à voir avec les cristaux créés par les minéraux ; il s’agit plutôt de systèmes de particules quantiques qui, dans leur état d’énergie le plus bas, commencent à se synchroniser et à se déplacer ensemble dans un mouvement asymétrique répétitif. Proposés pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012, ces systèmes ne perdent théoriquement pas d’énergie dans l’environnement et peuvent donc potentiellement se déplacer à l’infini, explique l’auteur principal de l’étude, Li You, physicien à Tsinghua. Cependant, il est entendu qu’en réalité, il est impossible de maintenir ces systèmes indéfiniment sans manipulation extérieure.
La stabilité des nouveaux systèmes quantiques de Li You résulte de la dynamique de rétroaction créée par l’excitation simultanée des atomes dans des états de Rydberg – des états très excités dans lesquels un électron de valence orbite loin du noyau de l’atome – ainsi que par le pompage régulier de lasers externes, afin d’équilibrer la perte d’énergie des atomes.
On espère que de tels « cristaux de temps » stables pourraient être utiles pour les technologies de détection quantique ultrasensible et la mémoire quantique des ordinateurs. Mais jusqu’à présent, la création de cristaux de temps nécessitait des conditions ultrafroides coûteuses et des lasers qui perturbaient facilement la stabilité d’un système quantique froid.
Fabrication d’un cristal de temps
You et ses collègues de Tsinghua, en collaboration avec des chercheurs de l’Académie des sciences de l’information quantique de Pékin (Chine), de l’université d’Aarhus (Danemark) et de l’université technologique de Vienne (Autriche), ont créé leur cristal de temps à température ambiante en couplant des lasers pour exciter les électrons d’un « nuage » d’atomes de Rydberg de rubidium-85.
Un atome de Rydberg se définit par la présence d’un seul électron chargé négativement, très excité, qui orbite à une grande distance du noyau et du reste des électrons. Cette grande séparation spatiale crée également un dipôle électrique oscillant, c’est-à-dire lorsque deux atomes de Rydberg proches se déplacent d’avant en arrière en raison de la légère variation des charges électriques provoquée par le mouvement de leurs électrons les plus éloignés, ce que l’on appelle une « interaction dipôle-dipôle électrique ». Cette interaction contribue à la création d’un nuage gazeux d’atomes de Rydberg qui se synchronisent naturellement pour former un système stable et mobile, également connu sous le nom de cristal de temps.
Dans leurs expériences, You et ses collègues ont excité en continu les atomes d’un isotope métallique, le rubidium 85, dans des états de Rydberg pour former un cristal de temps. Ils ont ensuite maintenu le cristal de temps à température ambiante, sans pratiquement aucune perte d’atomes du système.
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« En principe, la durée de vie du cristal de temps observé est longue, essentiellement infinie », explique M. You. Le cristal de temps a pu être identifié indirectement par des oscillations dans la transmission de la lumière à travers le gaz, ajoute-t-il. Le fait que ces oscillations durent longtemps et soient résistantes au bruit indique fortement la présence d’un cristal de temps continu dont la stabilité est potentiellement infinie.
Avalanche d’atomes
Cette expérience a déjà déclenché une avalanche d’activités de recherche sur les gaz d’atomes de Rydberg, explique M. You, car leur plateforme simple et prometteuse permet d’explorer beaucoup plus facilement les propriétés fondamentales des cristaux temporels.
On espère que ces cristaux temporels permettront aux ingénieurs de concevoir des capteurs de haute précision utilisant des systèmes stables d’atomes de Rydberg pour détecter les perturbations du niveau quantique qui perturbent le système au fil du temps.
« Notre découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de cet état fascinant de la matière à travers le temps », déclare M. Li.
Wu, X., Wang, Z., Yang, F., Gao, R., Liang, C. et al. Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas Nature Physics 20, 1389-1394 (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9
