Les cristaux de temps peuvent ressembler à quelque chose de la science-fiction, ayant plus à voir avec le voyage dans le temps ou Dr. Who. Ces matériaux étranges - dans lesquels les atomes et les molécules sont disposés à travers l'espace et le temps - sont en fait bien réels, et ouvrent des voies entièrement nouvelles pour penser à la nature de la matière. Ils pourraient également éventuellement aider à protéger les informations dans les appareils futuristes appelés ordinateurs quantiques.

Deux groupes de chercheurs basés à l'Université Harvard et à l'Université du Maryland rapportent le 9 mars dans le journal La nature qu'ils ont réussi à créer des cristaux temporels en utilisant des théories développées à l'Université de Princeton. L'équipe basée à Harvard comprenait des scientifiques de Princeton qui ont joué un rôle fondamental dans l'élaboration de la compréhension théorique qui a conduit à la création de ces cristaux exotiques.

"Notre travail a découvert la physique essentielle du fonctionnement des cristaux de temps, " dit Shivaji Sondhi, un professeur de physique de Princeton. "De plus, cette découverte s'appuie sur un ensemble de développements à Princeton qui aborde la question de savoir comment nous comprenons les systèmes complexes en et hors d'équilibre, ce qui est d'une importance capitale pour la façon dont les physiciens expliquent la nature du monde de tous les jours."

En 2015, Sondhi et ses collègues, dont l'étudiante diplômée de l'époque, Vedika Khemani, qui a obtenu son doctorat. à Princeton en 2016 et est maintenant junior fellow à Harvard, ainsi que les collaborateurs Achilleas Lazarides et Roderich Moessner au Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems en Allemagne, a publié la base théorique sur la façon dont les cristaux temporels – au début considérés comme impossibles – pourraient réellement exister. Publié dans la revue Lettres de révision de physique en juin 2016, le papier a suscité des conversations sur la façon de construire de tels cristaux.

Cristaux ordinaires tels que les diamants, le quartz ou la glace sont constitués de molécules qui s'organisent spontanément en motifs tridimensionnels ordonnés. Les atomes de sodium et de chlore dans un cristal de sel, par exemple, sont espacés à intervalles réguliers, formant un réseau hexagonal.

Dans les cristaux du temps, cependant, les atomes sont disposés en motifs non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps. En plus de contenir un motif qui se répète dans l'espace, les cristaux du temps contiennent un motif qui se répète dans le temps. Cela pourrait se produire par exemple lorsque les atomes du cristal se déplacent à une certaine vitesse. Si un cristal de glace du temps existait, toutes les molécules d'eau vibreraient à une fréquence identique. De plus, les molécules le feraient sans aucune contribution du monde extérieur.

Le concept des cristaux temporels est né avec le physicien Frank Wilczek du Massachusetts Institute of Technology. En 2012, le lauréat du prix Nobel et ancien membre du corps professoral de Princeton réfléchissait aux similitudes entre l'espace et le temps. Dans le jargon de la physique, on dit que les cristaux "brisent la symétrie translationnelle dans l'espace" parce que les atomes s'assemblent en motifs rigides plutôt que d'être uniformément répartis, tels qu'ils sont dans un liquide ou un gaz. Ne devrait-il pas y avoir aussi des cristaux qui brisent la symétrie translationnelle dans le temps ?

"Les atomes se déplacent dans le temps, mais au lieu de se déplacer de manière fluide ou continue, ils se déplacent de manière périodique, " a déclaré Sondhi. " C'était une idée intéressante. " C'était aussi une idée qui a conduit à de vifs débats dans les revues de physique pour savoir si de tels cristaux pouvaient exister. La conclusion initiale semblait être qu'ils ne pouvaient pas, du moins pas dans les paramètres visualisés par Wilczek.

Sondhi et Khemani pensaient à un problème complètement différent en 2015 lorsqu'ils ont élaboré la théorie de la façon dont les cristaux de temps pourraient exister. Ils exploraient des questions sur la façon dont les atomes et les molécules se déposent, ou arriver à l'équilibre, pour former des phases de matière telles que des solides, liquides et gaz.

Alors qu'il était de sagesse commune parmi les physiciens que tous les systèmes finissent par s'installer, travail au cours de la dernière décennie avait remis en question cette notion, spécifiquement parmi les atomes à très basse température où s'appliquent les règles de la physique quantique. On s'est rendu compte qu'il existe des systèmes qui n'arrivent jamais à l'équilibre à cause d'un phénomène appelé « localisation à plusieurs corps, " qui se produit en raison du comportement de nombreux atomes dans un système quantique désordonné qui s'influencent mutuellement.

Le travail dans ce domaine est une longue tradition de Princeton. Le premier et fondateur concept de la façon dont les systèmes quantiques peuvent être localisés lorsqu'ils sont désordonnés, appelée localisation Anderson, issu des travaux de Philip Anderson, un professeur de Princeton et lauréat du prix Nobel, en 1958. Ce travail a été étendu en 2006 aux systèmes de nombreux atomes par Boris Altshuler, alors professeur à Princeton, stagiaire postdoctoral Denis Basko, et Igor Aleiner de l'Université Columbia.

Pendant son congé sabbatique à l'Institut Max Planck de physique des systèmes complexes en Allemagne, Sondhi et Khemani ont réalisé que ces idées sur la façon d'empêcher les systèmes d'atteindre l'équilibre permettraient la création de cristaux de temps. Un système en équilibre ne peut pas être un cristal de temps, mais des systèmes de non-équilibre peuvent être créés en piquant périodiquement, ou "conduire, " un cristal en projetant un laser sur ses atomes. A la surprise des chercheurs, leurs calculs ont révélé que le fait de pousser périodiquement des atomes qui se trouvaient dans des phases localisées à plusieurs corps hors d'équilibre entraînerait le déplacement des atomes à une vitesse deux fois plus lente (ou deux fois plus longue) que la vitesse initiale à laquelle ils ont été poussés.

Expliquer, Sondhi a comparé la conduite du système quantique à une pression périodique sur une éponge. "Quand tu relâches l'éponge, vous vous attendez à ce qu'il reprenne sa forme. Imaginez maintenant qu'il ne reprend sa forme qu'après une pression sur deux, même si vous appliquez la même force à chaque fois. C'est ce que fait notre système, " il a dit.

Curt von Keyserlingk, chercheur postdoctoral à Princeton, qui ont contribué à des travaux théoriques supplémentaires avec Khemani et Sondhi, mentionné, "Nous avons expliqué comment les systèmes à cristaux temporels se verrouillent dans les oscillations persistantes qui signifient une rupture spontanée de la symétrie de la traduction du temps." Des travaux supplémentaires menés par des chercheurs de la Station Q de Microsoft et de l'Université de Californie-Berkeley ont permis de mieux comprendre les cristaux temporels.

À la suite de ces études théoriques, deux groupes d'expérimentateurs ont commencé à essayer de construire des cristaux temporels en laboratoire. L'équipe basée à Harvard, qui comprenait Khemani à Harvard et von Keyserlingk à Princeton, utilisé une configuration expérimentale qui impliquait la création d'un réseau artificiel dans un diamant synthétique. Une approche différente à l'Université du Maryland a utilisé une chaîne de particules chargées appelées ions ytterbium. Les deux équipes ont maintenant publié le travail cette semaine dans La nature .

Les deux systèmes montrent l'émergence d'un comportement cristallin du temps, dit Christopher Monroe, un physicien qui a dirigé l'effort à l'Université du Maryland. "Bien que toutes les applications pour ce travail soient loin dans le futur, ces expériences nous aident à en apprendre davantage sur le fonctionnement interne de cet état quantique très complexe, " il a dit.

La recherche peut éventuellement conduire à des idées sur la façon de protéger l'information dans les ordinateurs quantiques, qui peut être perturbé par l'interférence du monde extérieur. La localisation à plusieurs corps peut protéger l'information quantique, selon une étude publiée en 2013 par l'équipe de Princeton de David Huse, le professeur de physique Cyrus Fogg Brackett, ainsi que Sondhi et ses collègues Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan et Arijeet Pal. La recherche met également en lumière les moyens de protéger les phases topologiques de la matière, recherche pour laquelle F. Duncan Haldane de Princeton, le professeur Eugene Higgins de physique, a partagé le prix Nobel de physique 2016.

Sondhi a déclaré que le travail aborde certaines des questions les plus fondamentales sur la nature de la matière. "On pensait que si un système ne se stabilise pas et ne parvient pas à l'équilibre, on ne peut pas vraiment dire que c'est dans une phase. C'est un gros problème quand vous pouvez donner une définition d'une phase de la matière lorsque la matière n'est pas en équilibre, " il a dit.

Ce cadre hors d'équilibre a permis la réalisation de phases nouvelles et passionnantes de la matière, selon Khemani. "La création des cristaux de temps nous a permis d'ajouter une entrée dans le catalogue des ordres possibles dans l'espace-temps, pensait auparavant impossible, " a déclaré Khémani.

Les articles "Observation of discrete time-cristallin order in aordered dipolar many-body system" et "Observation of a discrete time crystal" ont été publiés le 9 mars par La nature .