Dans le cadre de leurs efforts constants pour repousser les limites des possibilités quantiques, des physiciens de la WashU ont créé un nouveau type de « cristal de temps », une nouvelle phase de la matière qui défie les perceptions habituelles du mouvement et du temps.
L’équipe de recherche de la WashU comprend Kater Murch, professeur de physique Charles M. Hohenberg, Chong Zu, professeur adjoint de physique, et les étudiants diplômés de Zu, Guanghui He, Ruotian « Reginald » Gong, Changyu Yao et Zhongyuan Liu. Bingtian Ye, du Massachusetts Institute of Technology, et Norman Yao, de l’université de Harvard, sont également les auteurs de cette recherche, qui a été publiée dans la revue Physical Review X.
Chong Zu, Guanghui He et Bingtian Ye se sont entretenus sur leur réalisation et les implications de la capture du temps dans un cristal.
Qu’est-ce qu’un cristal de temps ?
Pour comprendre ce qu’est un cristal temporel, il est utile de penser à des cristaux familiers tels que le diamant ou le quartz. Ces minéraux doivent leur forme et leur éclat à leurs structures hautement organisées. Les atomes de carbone d’un diamant interagissent les uns avec les autres pour former des motifs répétés et prévisibles.
Tout comme les atomes d’un cristal normal répètent des motifs dans l’espace, les particules d’un cristal temporel répètent des motifs dans le temps, a expliqué M. Zu. En d’autres termes, elles vibrent ou « font tic-tac » à des fréquences constantes, ce qui les rend cristallisées en quatre dimensions : les trois dimensions physiques plus la dimension du temps.
Qu’est-ce qui fait la particularité d’un cristal de temps ?
Les cristaux de temps sont comme une horloge qui n’a jamais besoin d’être remontée ou d’être alimentée par des piles. « En théorie, ils devraient pouvoir fonctionner à l’infini », a déclaré M. Zu. En pratique, les cristaux de temps sont fragiles et sensibles à l’environnement. « Nous avons pu observer des centaines de cycles dans nos cristaux avant qu’ils ne se cassent, ce qui est impressionnant. »
Les cristaux temporels existent depuis un certain temps ; le premier a été créé à l’université du Maryland en 2016. L’équipe dirigée par la WashU est allée plus loin en construisant quelque chose d’encore plus incroyable : un quasi-cristal temporel. « Il s’agit d’une phase entièrement nouvelle de la matière », a déclaré M. Zu.
En quoi un quasi-cristal de temps est-il différent d’un cristal de temps ?
En science des matériaux, les quasi-cristaux sont des substances récemment découvertes qui sont hautement organisées même si leurs atomes ne suivent pas les mêmes schémas dans toutes les dimensions. De la même manière, les différentes dimensions des quasi-cristaux de temps vibrent à des fréquences différentes, a expliqué He, l’auteur principal de l’article. Les rythmes sont très précis et très organisés, mais ils ressemblent plus à un accord qu’à une simple note. « Nous pensons être le premier groupe à créer un véritable quasi-cristal temporel », a ajouté M. He.
Comment les quasi-cristaux de temps sont-ils créés ?
L’équipe a construit ses quasi-cristaux à l’intérieur d’un petit morceau de diamant de la taille d’un millimètre. Elle a ensuite bombardé le diamant avec des faisceaux d’azote suffisamment puissants pour éliminer les atomes de carbone et laisser des espaces vides de la taille d’un atome. Les électrons se déplacent dans ces espaces et chaque électron a des interactions au niveau quantique avec ses voisins. Chong Zu et ses collègues ont utilisé une approche similaire pour construire un microscope à diamant quantique.
Les quasi-cristaux de temps sont constitués de plus d’un million de ces espaces vides dans le diamant. Chaque quasi-cristal mesure environ un micromètre (un millième de millimètre) de diamètre, ce qui est trop petit pour être vu sans microscope. « Nous avons utilisé des impulsions de micro-ondes pour déclencher les rythmes dans les quasi-cristaux de temps », explique pour sa part Bingtian Ye. « Les micro-ondes contribuent à créer un ordre dans le temps. »
créer un quasi-cristal de temps, une nouvelle phase de la matière qui répète des motifs précis dans le temps et l’espace. crédit : WashU
Quelles sont les utilisations potentielles des cristaux de temps ou des quasi-cristaux ?
La simple existence des cristaux de temps et des quasi-cristaux confirme certaines théories fondamentales de la mécanique quantique, et ils sont donc utiles de ce point de vue, a commenté Chong Zu. Mais ils pourraient également avoir des applications pratiques. Parce qu’ils sont sensibles aux forces quantiques telles que le magnétisme, les cristaux de temps pourraient être utilisés comme des capteurs quantiques de longue durée qui n’auraient jamais besoin d’être rechargés.
Les cristaux de temps offrent également une nouvelle voie vers le chronométrage de précision. Les oscillateurs à quartz des montres et des appareils électroniques ont tendance à dériver et doivent être étalonnés. Un cristal de temps, en revanche, pourrait maintenir un tic-tac constant avec une perte d’énergie minimale. Un capteur de quasicristal de temps pourrait potentiellement mesurer plusieurs fréquences à la fois, ce qui permettrait d’obtenir une image plus complète de la durée de vie d’un matériau quantique. Tout d’abord, les chercheurs devront mieux comprendre comment lire et suivre le signal. Ils ne peuvent pas encore donner l’heure avec précision avec un cristal de temps ; ils peuvent seulement le faire tic-tac.
Comme les cristaux de temps peuvent théoriquement faire tic-tac à l’infini sans perdre d’énergie, l’exploitation de leur puissance pour les ordinateurs quantiques suscite beaucoup d’intérêt. « Ils pourraient stocker de la mémoire quantique sur de longues périodes de temps, essentiellement comme un analogue quantique de la mémoire vive », a dit pour conclure Chong Zu. « Nous sommes encore loin de ce type de technologie, mais la création d’un quasi-cristal de temps est une première étape cruciale. »
Légende illustration : sablier représentant le temps qui s’écoule. Crédit Enerzine.com
Guanghui He, Ruotian Gong, Changyu Yao, Zhongyuan Liu, Kater W. Murch, Norman Y. Yao, and Chong Zu. Article : « Experimental Realization of Discrete Time Quasicrystals » Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011055
Source : WashU
