La quête pour développer la compréhension du comportement cristallin du temps dans les systèmes quantiques a pris une nouvelle tournure passionnante.

Des experts en physique des universités d'Exeter, Islande, et l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg, ont révélé que l'existence de véritables cristaux temporels pour les systèmes quantiques fermés est possible.

Différent des autres études qui, à ce jour, considéraient les systèmes quantiques ouverts hors équilibre, où la présence d'un entraînement induit des oscillations temporelles, les chercheurs ont théoriquement trouvé un système quantique où les corrélations temporelles survivent pendant une durée infiniment longue.

Publié dans Lettres d'examen physique en tant que suggestion de la rédaction le 20 novembre, l'étude pourrait ouvrir la voie au développement de romans, des applications passionnantes, comme un nouveau type d'horloge atomique.

La notion de cristal temporel (TC) a été avancée pour la première fois par le lauréat du prix Nobel de physique Frank Wilczek en 2012. Le rôle central dans l'établissement du cristal temporel en tant que nouvelle phase de la matière correspond à la rupture de la symétrie de translation du temps.

Dans la vie de tous les jours, nous sommes entourés de solides, où les atomes et les molécules forment une structure périodique le long des coordonnées spatiales. Contrairement aux cristaux ordinaires, tels que les diamants, dont les propriétés sont définies par des atomes régulièrement disposés dans l'espace, les cristaux de temps montrent plutôt un mode de comportement en constante évolution qui se répète dans le temps.

Cependant, la possibilité même d'une brisure de la symétrie translationnelle dans le temps s'est avérée notoirement difficile dans un système quantique parfaitement isolé qui reste en équilibre. Notamment, le théorème prouvé par Haruki Watanabe et Masaki Oshikawa a déclaré que les versions quantiques des cristaux de temps sont impossibles, à moins que :1) des interactions fortement non locales soient présentes dans un véritable système quantique; ou 2) un système piloté est considéré.

En particulier, en utilisant la deuxième échappatoire, les scientifiques ont montré ces dernières années qu'il est possible de produire différentes variantes de cristaux temporels (notamment des cristaux temporels discrets ou de Floquet).

La question :« Le concept original de cristal-temps peut-il être réalisé ? resta donc en l'air.

Dans la nouvelle étude, l'équipe de recherche dirigée par Oleksandr Kyriienko de l'Université d'Exeter a montré qu'il est possible de « contourner » le théorème de non-droit pour l'existence de cristaux temporels quantiques, et qu'un véritable ordre temporel cristallin est en effet possible.

L'ingrédient clé correspond à la recherche de l'hamiltonien - un opérateur qui décrit l'énergie d'un système quantique - qui satisfait pleinement les conditions de comportement TC posées par Watanabe et Oshikawa.

L'équipe a découvert que le système qui brise la symétrie temps-translation possède nécessairement des interactions multiparticulaires (appelées "cordes") où au moins la moitié des particules interagissent simultanément.

La fonction de corrélation de l'état fondamental associée présente des oscillations perpétuelles dues au couplage entre deux états intriqués au maximum correspondant à des états de type chat de Schrödinger.

Les résultats pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre le comportement des états condensés de la matière, et faire la lumière sur la physique des ordres dynamiques.

Étant le premier pas vers la rupture de la symétrie temps-translation continue, l'étude attire l'attention sur d'autres systèmes quantiques possibles où les interactions à longue distance peuvent induire une dynamique non triviale.

Oleksandr Kyriienko a dit, "Maintenant, nous savons que la symétrie translationnelle temporelle peut être rompue avec des interactions hautement non locales. Pouvons-nous améliorer cela et avoir des systèmes pratiquement utiles avec des interactions réduites où les corrélations survivent à des temps infinis? Je ne sais pas avec certitude, mais j'ai hâte de le savoir."