Certaines des prédictions les plus profondes de la physique théorique, comme les ondes gravitationnelles d'Einstein ou le boson de Higgs, ont pris des décennies pour prouver avec des expériences. Mais de temps en temps, une prédiction peut devenir un fait établi en un temps étonnamment court. C'est ce qui s'est passé avec les "cristaux du temps", un nouvel et étrange état de la matière qui a été théorisé, réfuté, remanié et finalement créé en seulement cinq ans depuis sa première prédiction en 2012.

Cristaux, comme le diamant et le quartz, sont constitués d'atomes disposés selon un motif répétitif dans l'espace. Dans ces nouveaux cristaux, les atomes suivent également un motif répétitif, mais dans le temps. En raison de cette propriété étrange, les cristaux de temps pourraient un jour trouver des applications dans des technologies révolutionnaires telles que l'informatique quantique.

L'histoire des cristaux de temps commence en 2012 avec le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek du MIT. En tant que physicien théoricien et mathématicien, Wilczek a franchi une étape cruciale en transférant une propriété clé des cristaux réguliers - appelée bris de symétrie - pour créer l'idée de cristaux temporels.

Pour comprendre ce qu'est la brisure de symétrie, pensez à l'eau liquide. Dans une goutte d'eau, les molécules sont libres de se déplacer et peuvent se trouver n'importe où dans le liquide. Le liquide a l'air le même dans n'importe quelle direction, ce qui signifie qu'il a un degré élevé de symétrie. Si l'eau gèle pour former de la glace, les forces d'attraction entre les molécules les forcent à se réarranger en un cristal, où les molécules sont espacées à intervalles réguliers. Mais cette régularité signifie que le cristal n'est pas aussi symétrique que le liquide, nous disons donc que la symétrie du liquide a été brisée lors de la congélation en glace.

La brisure de symétrie est l'un des concepts les plus profonds de la physique. Il est à l'origine de la formation des cristaux, mais apparaît également dans de nombreux autres processus fondamentaux. Par exemple, le fameux mécanisme de Higgs, ce qui explique comment les particules subatomiques en viennent à acquérir de la masse, est un processus de brisure de symétrie.

De retour en 2012, Wilczek a eu une idée alléchante. Il se demandait si, de la même manière qu'un cristal brise la symétrie dans l'espace, il serait possible de créer un cristal brisant une symétrie équivalente dans le temps. C'était la première fois que l'idée d'un cristal temporel était théorisée.

Un tel objet aurait une régularité temporelle intrinsèque, équivalent au motif régulier du cristal dans l'espace. Pendant un temps cristal, le motif serait un changement continu dans l'une de ses propriétés physiques, une sorte de battement de coeur qui se répète indéfiniment, un peu comme une machine à mouvement perpétuel.

Machines à mouvement perpétuel, qui sont des machines qui peuvent fonctionner indéfiniment sans source d'énergie, sont interdits par les lois de la physique. Wilczek a reconnu cette bizarrerie de sa théorie des cristaux du temps et, en 2015, un autre groupe de physiciens théoriciens a montré qu'un cristal à mouvement perpétuel serait en effet impossible.

Mais ce n'était pas la fin de l'histoire. En 2016, de nouvelles recherches ont montré que les cristaux temporels pouvaient encore exister en théorie, mais seulement s'il y avait une force motrice externe. L'idée était que la régularité du temps serait en quelque sorte en sommeil, caché à la vue, et qu'ajouter un peu d'énergie lui donnerait vie et le dévoilerait. Cela a résolu le paradoxe du mouvement perpétuel, et a apporté de nouveaux espoirs pour l'existence de cristaux de temps.

Puis, à l'été 2016, les conditions de création et d'observation des cristaux temporels ont été décrites dans un article du référentiel arXiv en ligne, et publié plus tard dans la revue à comité de lecture Physical Review Letters. Les chercheurs ont étudié comment une propriété spéciale des particules connue sous le nom de spin quantique pouvait être inversée à plusieurs reprises par une force externe à intervalles réguliers. Ils ont prédit que s'ils faisaient cela à un ensemble de particules, les interactions entre les particules produiraient leurs propres oscillations dans le spin, créant un cristal de temps « conduit ».

En quelques mois, deux groupes expérimentaux différents avaient relevé le défi de créer les cristaux temporels en laboratoire. L'une des équipes a tiré des impulsions laser sur un train d'atomes d'ytterbium qui ont produit des oscillations dans les propriétés des atomes, à des intervalles différents des impulsions. Cela signifiait que les atomes d'ytterbium se comportaient comme un cristal temporel.

L'autre équipe s'est concentrée sur un système totalement différent, constitué d'impuretés dans un cristal de diamant. Ils ont utilisé des micro-ondes pour perturber les impuretés à des intervalles bien définis, et observé le même type d'oscillations du cristal temporel que la première équipe. Enfin, les cristaux du temps avaient été créés et les idées principales de Wilczek se sont avérées vraies.

Avenir de cristal

La prédiction, la réalisation et la découverte des cristaux de temps ouvre un nouveau chapitre de la mécanique quantique, avec des questions sur les propriétés de cet état de la matière nouvellement découvert et si des cristaux temporels pourraient se produire dans la nature.

Les propriétés de rupture de symétrie des cristaux ordinaires ont conduit à la création de métamatériaux phononiques et photoniques, matériaux délibérément conçus qui contrôlent sélectivement les vibrations acoustiques et la lumière qui peuvent être utilisés pour augmenter les performances des prothèses, ou pour augmenter l'efficacité des lasers et des fibres optiques. Ainsi, les propriétés de rupture de symétrie temporelle des cristaux temporels trouveront probablement leur place dans des domaines tout aussi nouveaux, tels que les chrono-métamatériaux pour l'informatique quantique, qui utilise les propriétés inhérentes des atomes pour stocker et traiter les données.

L'histoire des cristaux du temps a commencé avec une belle idée d'un physicien théoricien, et a maintenant culminé son premier chapitre avec des preuves expérimentales concluantes après seulement cinq ans. Loin de s'achever alors que les scientifiques prouvent leurs grandes théories, il semble que la physique soit plus vivante que jamais.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.