Cristaux normaux, aime le diamant, sont un réseau atomique qui se répète dans l'espace, mais les physiciens ont récemment suggéré de fabriquer des matériaux qui se répètent dans le temps. L'année dernière, Norman Yao de l'UC Berkeley a esquissé les phases entourant un cristal temporel et ce qu'il faut mesurer afin de confirmer que ce nouveau matériau est en fait une phase stable de la matière. Cela a stimulé deux équipes à construire un cristal temporel, les premiers exemples d'une forme de matière hors d'équilibre.

A la plupart des gens, les cristaux signifient le diamant bling, gemmes semi-précieuses ou peut-être les cristaux déchiquetés d'améthyste ou de quartz appréciés des collectionneurs.

A Norman Yao, ces cristaux inertes sont la pointe de l'iceberg.

Si les cristaux ont une structure atomique qui se répète dans l'espace, comme le réseau de carbone d'un diamant, pourquoi les cristaux ne peuvent-ils pas aussi avoir une structure qui se répète dans le temps ? C'est-à-dire, un cristal du temps ?

Dans un article publié en ligne la semaine dernière dans la revue Lettres d'examen physique , l'Université de Californie, Berkeley professeur adjoint de physique décrit exactement comment fabriquer et mesurer les propriétés d'un tel cristal, et prédit même quelles devraient être les différentes phases entourant le cristal temporel, semblables aux phases liquide et gazeuse de la glace.

Ce n'est pas une simple spéculation. Deux groupes ont suivi le plan de Yao et ont déjà créé les tout premiers cristaux de temps. Les groupes de l'Université du Maryland et de l'Université Harvard ont fait part de leurs succès, en utilisant deux configurations totalement différentes, dans des articles mis en ligne l'année dernière, et ont soumis les résultats pour publication. Yao est co-auteur des deux articles.

Les cristaux temporels se répètent dans le temps car ils sont bottés périodiquement, un peu comme taper sur Jell-O à plusieurs reprises pour le faire secouer, dit Yao. La grande percée, il argumente, est moins que ces cristaux particuliers se répètent dans le temps que qu'ils sont les premiers d'une grande classe de nouveaux matériaux qui sont intrinsèquement hors d'équilibre, incapable de s'installer à l'équilibre immobile de, par exemple, un diamant ou un rubis.

"C'est une nouvelle phase de la matière, période, mais c'est aussi vraiment cool car c'est l'un des premiers exemples de matière hors d'équilibre, " dit Yao. " Depuis un demi-siècle, nous avons exploré la matière d'équilibre, comme les métaux et les isolants. Nous commençons tout juste à explorer un tout nouveau paysage de matière hors d'équilibre."

Alors que Yao a du mal à imaginer une utilisation pour un cristal temporel, d'autres phases proposées de la matière hors équilibre sont théoriquement prometteuses en tant que mémoires presque parfaites et peuvent être utiles dans les ordinateurs quantiques.

Une chaîne d'ytterbium

Le cristal temporel créé par Chris Monroe et ses collègues de l'Université du Maryland utilise une raie conga de 10 ions ytterbium dont les spins des électrons interagissent, similaire aux systèmes qubit testés en tant qu'ordinateurs quantiques. Pour maintenir les ions hors d'équilibre, les chercheurs les frappent alternativement avec un laser pour créer un champ magnétique efficace et un deuxième laser pour inverser partiellement les spins des atomes, répéter la séquence plusieurs fois. Parce que les tours ont interagi, les atomes se sont installés dans une étable, motif répétitif de retournement de spin qui définit un cristal.

Les cristaux de temps ont été proposés pour la première fois en 2012 par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek, et l'année dernière, des physiciens théoriciens de l'Université de Princeton et de la Station Q de l'UC Santa Barbara ont prouvé indépendamment qu'un tel cristal pouvait être fabriqué. Selon Yao, le groupe UC Berkeley était "le pont entre l'idée théorique et la mise en œuvre expérimentale."

Du point de vue de la mécanique quantique, les électrons peuvent former des cristaux qui ne correspondent pas à la symétrie de translation spatiale sous-jacente de l'ordonné, tableau tridimensionnel d'atomes, dit Yao. Cela brise la symétrie du matériau et conduit à des propriétés uniques et stables que nous définissons comme un cristal.

Un cristal temporel brise la symétrie temporelle. Dans ce cas particulier, le champ magnétique et le laser entraînant périodiquement les atomes d'ytterbium produisent une répétition dans le système à deux fois la période des conducteurs, quelque chose qui ne se produirait pas dans un système normal.

« Ne serait-ce pas super bizarre si vous secouiez le Jell-O et découvriez que d'une manière ou d'une autre, il répondait à une période différente ? dit Yao. "Mais c'est l'essence du cristal temporel. Vous avez un pilote périodique qui a une période 'T', mais le système se synchronise d'une manière ou d'une autre afin que vous observiez le système osciller avec une période supérieure à 'T'."

Yao a travaillé en étroite collaboration avec Monroe pendant que son équipe du Maryland fabriquait le nouveau matériel, les aidant à se concentrer sur les propriétés importantes à mesurer pour confirmer que le matériau était en fait un cristal temporel stable ou rigide. Yao a également décrit comment le cristal du temps changerait de phase, comme un glaçon qui fond, sous différents champs magnétiques et impulsions laser.

L'équipe de Harvard, dirigé par Mikhail Lukin, mis en place son cristal temporel en utilisant des centres de vacance d'azote densément emballés dans les diamants.

"De tels résultats similaires obtenus dans deux systèmes extrêmement disparates soulignent que les cristaux temporels sont une nouvelle phase large de la matière, pas simplement une curiosité reléguée à des systèmes petits ou étroitement spécifiques, " écrit Phil Richerme, de l'Université de l'Indiana, dans un article en perspective accompagnant l'article publié dans Physical Review Letters. "L'observation du cristal à temps discret... confirme que la rupture de symétrie peut se produire dans pratiquement tous les domaines naturels, et ouvre la voie à plusieurs nouvelles voies de recherche."

Yao poursuit son propre travail sur les cristaux temporels alors qu'il explore la théorie derrière d'autres matériaux de non-équilibre nouveaux mais pas encore réalisés.