Les physiciens de Harvard ont créé une nouvelle forme de matière - surnommée un cristal temporel - qui pourrait offrir des informations importantes sur le comportement mystérieux des systèmes quantiques.

Traditionnellement parlant, cristaux - comme le sel, du sucre ou même des diamants - sont simplement des arrangements périodiques d'atomes dans un réseau tridimensionnel.

Cristaux de temps, d'autre part, prendre cette notion d'atomes périodiquement arrangés et ajouter une quatrième dimension, suggérant que - dans certaines conditions - les atomes que certains matériaux peuvent présenter une structure périodique dans le temps.

Dirigé par les professeurs de physique Mikhail Lukin et Eugene Demler, une équipe composée des stagiaires post-doctoraux Renate Landig et Georg Kucsko, Boursier junior Vedika Khemani, et les étudiants diplômés du département de physique Soonwon Choi, Joonhee Choi et Hengyun Zhou ont construit un système quantique à l'aide d'un petit morceau de diamant incrusté de millions d'impuretés à l'échelle atomique connues sous le nom de centres de manque d'azote (NV). Ils ont ensuite utilisé des impulsions micro-ondes pour « déséquilibrer » le système, provoquant le retournement des spins du centre NV à des intervalles précis - l'un des marqueurs clés d'un cristal temporel. Le travail est décrit dans un article publié dans La nature en mars.

Les autres co-auteurs de l'étude sont Junichi Isoya, Shinobu Onoda, et Hitoshi Sumiya de l'Université de Tsukuba, Institut de recherche avancée de Takasaki et Sumitomo, Fedor Jelezko de l'Université d'Ulm, Curt von Keyserlingk de l'Université de Princeton et Norman Y. Yao de l'UC Berkeley.

Mais la création d'un cristal temporel n'est pas significative simplement parce qu'elle prouve que les matériaux auparavant uniquement théoriques peuvent exister, Lukin a dit, mais parce qu'ils offrent aux physiciens une fenêtre alléchante sur le comportement de tels systèmes hors d'équilibre.

"Il y a maintenant large, des travaux en cours pour comprendre la physique des systèmes quantiques hors équilibre, " a déclaré Lukin. " C'est un domaine qui présente un intérêt pour de nombreuses technologies quantiques, parce qu'un ordinateur quantique est fondamentalement un système quantique qui est loin de l'équilibre. C'est vraiment à la frontière de la recherche... et nous ne faisons qu'effleurer la surface."

Mais si comprendre de tels systèmes hors d'équilibre pourrait aider les chercheurs sur la voie de l'informatique quantique, la technologie derrière les cristaux temporels peut également avoir des applications à plus court terme.

"Un domaine spécifique où nous pensons que cela pourrait être utile, et ce fut l'une de nos motivations initiales pour ce travail, est en mesure de précision, " dit Lukin. " Il s'avère que, si vous essayez de construire... par exemple, un capteur de champ magnétique, vous pouvez utiliser des spins NV-center, " a-t-il dit. " Il est donc possible que ces états de non-équilibre de la matière que nous créons puissent s'avérer utiles. "

L'idée que de tels systèmes pourraient être construits, cependant, semblait initialement improbable. En fait plusieurs chercheurs (il s'agit de Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) est allé jusqu'à prouver qu'il serait impossible de créer un cristal temporel dans un système quantique en équilibre.

"La plupart des choses autour de nous sont en équilibre, " expliqua Lukin. " Cela signifie que si vous avez un corps chaud et un corps froid, si vous les rassemblez, leur température s'égalisera. Mais tous les systèmes ne sont pas comme ça."

L'un des exemples les plus courants d'un matériau hors d'équilibre, il a dit, est quelque chose que beaucoup de gens portent quotidiennement - le diamant.

Une forme cristallisée de carbone qui se forme sous une chaleur et une pression intenses, le diamant est inhabituel car il est méta-stable, ce qui signifie qu'une fois qu'il adopte cette formation cristalline, ça va rester comme ça, même après la suppression de la chaleur et de la pression.

Ce n'est que très récemment, Lukin a dit, que les chercheurs ont commencé à se rendre compte que les systèmes hors équilibre - en particulier ceux connus sous le nom de systèmes « conduits », que les chercheurs peuvent " donner un coup de pied " avec des impulsions d'énergie périodiques, peut présenter les caractéristiques d'un cristal temporel.

L'une de ces caractéristiques, il a dit, est que la réponse du cristal dans le temps restera robuste vis-à-vis des perturbations.

"Un cristal solide est rigide... donc si vous appuyez dessus, peut-être que la distance entre les atomes change un peu, mais le cristal lui-même survit, " dit-il. " L'idée d'un cristal temporel est d'avoir ce type d'ordre dans un domaine temporel, mais il doit être robuste."

Un autre ingrédient important est généralement que si vous continuez à éloigner un système de l'équilibre, il commence à chauffer, mais il s'avère qu'il existe une classe de systèmes qui résistent à cet échauffement, " ajouta Lukin. " Il s'avère que l'effet du cristal temporel est fortement lié à cette idée qu'un système est excité, mais il n'absorbe pas l'énergie."

Pour construire un tel système, Lukin et ses collègues ont commencé avec un petit morceau de diamant qui était incrusté de tant de centres NV qu'il semblait noir.

"Nous soumettons ce diamant à des impulsions micro-ondes, qui modifient l'orientation des spins des centres NV, " expliqua Lukin. " Cela prend essentiellement tous les tours qui sont pointés vers le haut et les arrête, et une impulsion suivante les fait remonter."

Pour tester la robustesse du système, Lukin et ses collègues ont modifié la synchronisation des impulsions pour voir si le matériau continuerait à réagir comme un cristal temporel.

"Si vous n'orientez pas toutes les rotations complètement vers le haut ou vers le bas à chaque fois, puis très rapidement, vous vous retrouverez avec un système complètement aléatoire, " dit Lukin. " Mais les interactions entre les centres NV stabilisent la réponse :elles forcent le système à répondre de manière périodique, manière cristalline du temps."

De tels systèmes pourraient finalement être essentiels au développement d'ordinateurs quantiques et de capteurs quantiques utiles, Lukin a dit, car ils démontrent que deux composants critiques - de longs temps de mémoire quantique et une très haute densité de bits quantiques - ne s'excluent pas mutuellement.

"Pour de nombreuses applications, vous voulez les deux, " dit Lukin. " Mais ces deux exigences sont généralement contradictoires... c'est un problème bien connu. Le présent travail montre que nous pouvons obtenir la combinaison souhaitée. Il y a encore beaucoup de travail à faire, mais nous pensons que ces effets pourraient nous permettre de créer une nouvelle génération de capteurs quantiques, et pourrait éventuellement à long terme avoir d'autres applications à des choses comme les horloges atomiques. »