Un cristal temporel est une phase unique et exotique de la matière prédite pour la première fois par le physicien américain Frank Wilczek en 2012. Les cristaux temporels sont des analogues temporels de cristaux spatiaux plus conventionnels, car les deux sont basés sur des structures caractérisées par des motifs répétitifs.

Au lieu de former des motifs répétitifs dans l'espace tridimensionnel (3D), comme le font les cristaux de l'espace, les cristaux temporels sont caractérisés par des changements au fil du temps qui se produisent selon un modèle défini. Alors que certaines équipes de recherche ont pu réaliser ces phases exotiques de la matière, jusque là, ces réalisations n'ont été réalisées qu'en utilisant des systèmes fermés. Cela a soulevé la question de savoir si les cristaux temporels pouvaient également être réalisés dans des systèmes ouverts, en présence de dissipation et de décohérence.

Des chercheurs de l'Institut de physique des lasers de l'Université de Hambourg ont récemment réalisé pour la première fois un cristal temporel dans un système quantique ouvert. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , pourrait avoir des implications importantes pour l'étude des phases exotiques de la matière dans les systèmes quantiques.

"L'objectif principal de notre recherche est d'étudier les phases dynamiques de la matière connues pour la façon dont leurs propriétés changent au fil du temps de manière ordonnée, " Hans Kesler, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Au cours de mes études de doctorat, mes collègues et moi avons étudié la transition de phase d'un BEC homogène à une phase super-radiante auto-ordonnée et nous étudions comment le système réagit lors d'une trempe d'un état stationnaire à un autre."

Comme aucun état physique n'est intrinsèquement stable, la prochaine étape pour les recherches précédentes menées par Keßler et ses collègues était d'étudier les phases dynamiques de la matière. Ce sont essentiellement des transitions par lesquelles les matériaux changent leurs propriétés au fil du temps.

L'objectif principal de la récente étude des chercheurs était de réaliser un cristal temporel dissipatif en laboratoire. Pour faire ça, ils ont utilisé un système quantique à plusieurs corps fortement couplé à une cavité optique à bande étroite.

"Il était crucial pour nos expériences que le champ lumineux à l'intérieur du résonateur et la densité du système à N corps évoluent sur le même pied, qui est donnée par la largeur de bande de la cavité et la fréquence correspondant à un seul recul photonique, respectivement, " a expliqué Keßler. " Cette situation est unique dans notre système atome-cavité et ouvre la possibilité d'étudier les phases dynamiques de la matière. "

Comme les systèmes physiques réels ne sont jamais complètement isolés de leur environnement, ils sont susceptibles de se dissiper (c'est-à-dire perte ou gaspillage d'énergie). Cela rend difficile, voire impossible, la réalisation de systèmes quantiques qui sont vraiment fermés pendant des durées arbitraires. C'est ce qui a finalement inspiré Keßler et ses collègues à tenter la réalisation d'un cristal temporel dans un système quantique ouvert.

"Jusque là, les cristaux temporels qui ont été démontrés dans divers groupes nécessitaient un isolement soigneux de l'environnement, puisque la dissipation a l'effet indésirable de « faire fondre » ces cristaux temporels, " a déclaré Keßler. " La particularité du cristal temporel dans notre configuration atome-cavité est son rôle positif dans la prévention de la dissipation, car il aide à stabiliser la dynamique du système. La démonstration de l'ordre cristallin du temps dans un système ouvert est donc la réalisation la plus importante de notre étude."

L'étude récente de cette équipe de chercheurs offre des preuves solides qu'un cristal à temps discret peut exister dans un système atome-cavité ouvert et entraîné. Keßler et ses collègues essaient maintenant de réaliser un cristal à temps continu en utilisant le même système atome-cavité qu'ils ont utilisé dans leurs travaux récents.

La principale différence entre ce cristal temporel dissipatif continu et le cristal temporel dissipatif discret réalisé dans le cadre de leur étude récente est que le premier oscille même en l'absence d'un entraînement temporel. À la suite de cette oscillation, le nouveau cristal qu'ils étudient brise spontanément une symétrie de translation temporelle continue.

"Comme nous l'avons proposé pour le scénario décrit dans notre récent article, notre système atome-cavité passera à un état de la matière caractérisé par des oscillations périodiques à une certaine fréquence intrinsèque, " Keßler a ajouté. " La phase relative des oscillations dans un tel cristal de temps devrait prendre n'importe quelle valeur entre 0 et 2 pi. Ceci est très différent des cristaux temporels discrets, dans laquelle la phase relative ne peut être que 0 ou pi. Dans un sens, un cristal à temps continu est plus proche d'un cristal solide en ce sens qu'ils brisent tous deux la symétrie continue.

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