Une équipe de l’Université TU de Dortmund a récemment réussi à produire un cristal temporel très durable qui a vécu des millions de fois plus longtemps que ce qui avait pu être démontré lors d’expériences précédentes. Ce faisant, ils ont corroboré un phénomène extrêmement intéressant que le prix Nobel Frank Wilczek avait postulé il y a une dizaine d'années et qui avait déjà trouvé sa place dans les films de science-fiction.

Les résultats ont été publiés dans Nature Physics .

Les cristaux ou, pour être plus précis, les cristaux dans l’espace, sont des arrangements périodiques d’atomes sur de grandes échelles. Cet arrangement donne aux cristaux leur aspect fascinant, avec des facettes lisses comme celles des pierres précieuses.

Comme la physique traite souvent l'espace et le temps sur un seul et même niveau, par exemple en relativité restreinte, Frank Wilczek, physicien au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et lauréat du prix Nobel de physique, postulait en 2012 qu'en plus de des cristaux dans l'espace, il doit aussi y avoir des cristaux dans le temps.

Pour que cela soit le cas, dit-il, il faudrait que l'une de leurs propriétés physiques commence spontanément à changer périodiquement dans le temps, même si le système ne subit pas d'interférence périodique correspondante.

La possibilité de tels cristaux temporels a fait l'objet d'un débat scientifique controversé pendant plusieurs années, mais a rapidement fait son apparition dans les salles de cinéma :par exemple, un cristal temporel a joué un rôle central dans le film Avengers : Endgame (2019) des studios Marvel.

Depuis 2017, les scientifiques ont en effet réussi à plusieurs reprises à démontrer un potentiel cristal temporel. Cependant, il s'agissait de systèmes qui, contrairement à l'idée originale de Wilczek, sont soumis à une excitation temporelle avec une périodicité spécifique, mais réagissent ensuite avec une autre période deux fois plus longue.

Un cristal qui se comporte périodiquement dans le temps, bien que l’excitation soit indépendante du temps, c’est-à-dire constante, n’a été démontré qu’en 2022 dans un condensat de Bose-Einstein. Cependant, le cristal n'a vécu que quelques millisecondes.

Les physiciens de Dortmund dirigés par le Dr Alex Greilich ont conçu un cristal spécial en arséniure d'indium et de gallium, dans lequel les spins nucléaires servent de réservoir pour le cristal temporel. Le cristal est continuellement éclairé de sorte qu'une polarisation de spin nucléaire se forme par interaction avec les spins électroniques. Et c'est précisément cette polarisation de spin nucléaire qui génère alors spontanément des oscillations, équivalentes à un cristal temporel.

L'état actuel des expériences est que la durée de vie du cristal est d'au moins 40 minutes, soit 10 millions de fois plus longue que ce qui a été démontré jusqu'à présent, et qu'il pourrait potentiellement vivre beaucoup plus longtemps.

Il est possible de faire varier la période du cristal sur de larges plages en modifiant systématiquement les conditions expérimentales. Cependant, il est également possible de se déplacer dans des zones où le cristal « fond », c'est-à-dire perd sa périodicité.

Ces domaines sont également intéressants, car des comportements chaotiques, qui peuvent se maintenir sur de longues périodes, se manifestent alors.

C'est la première fois que les scientifiques peuvent utiliser des outils théoriques pour analyser le comportement chaotique de tels systèmes.

Plus d'informations : A. Greilich et al, Cristal à temps continu robuste dans un système de spin électron-nucléaire, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02351-6

Informations sur le journal : Physique de la nature

Fourni par l'Université TU de Dortmund