Un cristal de temps fait d’atomes géants

Les cristaux temporels, un concept fascinant proposé par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012, suscitent un intérêt croissant dans le domaine de la physique. Contrairement aux cristaux spatiaux, qui se répètent dans l’espace, les cristaux temporels se répètent dans le temps, sans qu’aucun rythme spécifique ne soit imposé.

Une équipe de chercheurs de l’Université Tsinghua en Chine, soutenue par l’Université technique de Vienne (TU Wien) en Autriche, a récemment réussi à créer un cristal temporel en utilisant des atomes de Rydberg et de la lumière laser.

Brisure spontanée de symétrie

Le concept de brisure spontanée de symétrie est essentiel pour comprendre les cristaux temporels. Le tic-tac d’une horloge, par exemple, est un mouvement périodique temporel. Ce mouvement ne se produit pas de manière autonome : quelqu’un doit remonter l’horloge et la démarrer à un moment précis. En revanche, pour un cristal temporel, une périodicité devrait émerger spontanément, sans différence physique entre les différents points dans le temps.

Professeur Thomas Pohl de l’Institut de Physique Théorique à TU Wien explique : «La fréquence des tics est prédéterminée par les propriétés physiques du système, mais les moments où les tics se produisent sont complètement aléatoires ; cela est connu sous le nom de brisure spontanée de symétrie.»

Expérience avec des atomes géants

Pour réaliser cette expérience, les chercheurs ont utilisé des atomes de rubidium préparés de manière spéciale. Les électrons d’un atome peuvent orbiter autour du noyau sur différentes trajectoires, en fonction de leur énergie. En ajoutant de l’énergie à l’électron le plus externe, sa distance par rapport au noyau peut devenir très grande, créant ainsi des atomes avec une enveloppe électronique géante, appelés atomes de Rydberg.

Thomas Pohl précise : «Si les atomes dans notre récipient en verre sont préparés dans de tels états de Rydberg et que leur diamètre devient énorme, alors les forces entre ces atomes deviennent également très grandes. Cela change la manière dont ils interagissent avec le laser. En choisissant une lumière laser capable d’exciter deux états de Rydberg différents dans chaque atome simultanément, une boucle de rétroaction est générée, provoquant des oscillations spontanées entre les deux états atomiques.»

Implications et applications potentielles

Les oscillations précises et auto-entretenues observées dans cette expérience pourraient avoir des applications pratiques, notamment dans le domaine des capteurs. Les atomes géants avec des états de Rydberg ont déjà été utilisés avec succès dans d’autres contextes techniques. Cette nouvelle plateforme offre une opportunité unique de mieux comprendre le phénomène des cristaux temporels, en se rapprochant de l’idée originale de Frank Wilczek.

Thomas Pohl conclut : «Nous avons créé un nouveau système qui fournit une plateforme puissante pour approfondir notre compréhension du phénomène des cristaux temporels. Les oscillations précises et auto-entretenues pourraient être utilisées pour des capteurs, par exemple. Les atomes géants avec des états de Rydberg ont déjà été utilisés avec succès pour de telles techniques dans d’autres contextes.»

Article : « Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas » – DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9