Des physiciens créent le premier cristal au monde

Les cristaux sont des objets extraordinaires, notamment en raison de leur symétrie. Les cristaux forment des motifs répétitifs qui sont les mêmes dans certaines directions mais pas dans toutes les directions. C'est quelque peu surprenant étant donné que les lois de la physique, qui régissent leur formation, sont les mêmes dans toutes les directions.

Que les lois de la physique soient spatialement symétriques mais que les cristaux ne le soient pas est un phénomène connu sous le nom de rupture de symétrie. Il ne s'agit pas d'ajouter de l'énergie à un système, mais de l'en retirer. En effet, les cristaux sont une manifestation de systèmes dans leurs états d'énergie les plus bas.

Mais les lois de la physique ne sont pas seulement symétriques dans l'espace mais aussi dans le temps. Et cela soulève la question intéressante de savoir s'il est possible de briser la symétrie temporelle de la même manière. En d'autres termes, est-il possible de créer des cristaux de temps ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Chris Monroe de l'Université du Maryland à College Park et de quelques copains, qui ont créé pour la première fois un cristal temporel dans leur laboratoire.

Le processus de base pour fabriquer des cristaux de temps est simple. L'idée est de créer un système quantique, tel qu'un groupe d'ions disposés en anneau, et de les refroidir jusqu'à ce qu'ils soient dans leur état d'énergie le plus bas. Dans ces circonstances, les lois de la physique suggèrent que l'anneau doit être parfaitement stationnaire.

Mais si la symétrie temporelle était brisée, alors l'anneau pourrait varier périodiquement dans le temps. En d'autres termes, il tournerait. Bien sûr, il ne serait jamais possible d'extraire de l'énergie de ce mouvement, ce qui violerait la conservation de l'énergie. Mais la brisure de symétrie temporelle se manifesterait dans ce mouvement répétitif dans le temps, tout comme la brisure de symétrie spatiale se manifeste par des motifs répétitifs dans l'espace.

C'est la théorie, mais dans le monde réel, les choses ne sont pas aussi simples. Le principal problème est que le monde quantique n'est pas régi par des variables dépendant du temps, de sorte que la symétrie temporelle ne peut pas être brisée à cette échelle. Ainsi, dans des circonstances ordinaires, le refroidissement d'un anneau d'ions à leur état d'énergie le plus bas les laisserait immobiles.

Mais il y a des circonstances dans lesquelles les systèmes quantiques évoluent avec le temps. Munro et co se sont concentrés sur ceux-ci : des systèmes quantiques qui ne sont pas en équilibre. Leur système quantique est une ligne d'ions ytterbium avec des spins qui interagissent les uns avec les autres.

Cette interaction conduit à un type particulier de comportement. L'une des caractéristiques étranges des particules quantiques est qu'elles n'existent généralement pas à des endroits spécifiques. Au lieu de cela, ils sont étalés dans l'espace avec la possibilité qu'ils apparaissent n'importe où, régis par les lois de la probabilité.

Mais dans certaines circonstances, cela peut changer. Par exemple, un seul électron à l'intérieur d'un matériau peut interférer avec lui-même d'une manière qui le force à apparaître à un seul endroit. C'est ce qu'on appelle la localisation d'Anderson, du nom du physicien qui l'avait prédit dans les années 1950.

Plus récemment, les physiciens ont étudié des groupes de particules quantiques qui interagissent les unes avec les autres d'une manière qui les rend toutes localisées. Cette localisation dite à plusieurs corps est un état délicat qui maintient les particules quantiques dans un état hors d'équilibre. En d'autres termes, cela oblige à les localiser. Et c'est exactement ainsi que se comporte cette chaîne d'ions ytterbium.

L'une des propriétés clés de ces ions est leur magnétisation ou leur spin, qui peut être inversé à l'aide d'un laser. L'inversion du spin d'un ion provoque l'inversion du suivant, et ainsi de suite. Ces interactions de spin oscillent ensuite à une vitesse qui dépend de la fréquence à laquelle le laser inverse le spin d'origine. En d'autres termes, la fréquence d'entraînement détermine le taux d'oscillation.

Mais quand Monroe et co ont mesuré cela, ils ont trouvé un autre effet. Ces gars ont découvert qu'après avoir laissé le système évoluer, les interactions se produisaient à un rythme qui était le double de la période d'origine. Puisqu'il n'y a pas de force motrice avec cette période, la seule explication est que la symétrie temporelle doit avoir été brisée, permettant ainsi ces périodes plus longues. En d'autres termes, Monroe et co avaient créé un cristal temporel.

L'équipe a ensuite mesuré certaines des propriétés de ces cristaux. Ils ont découvert, par exemple, que la modification de la fréquence de commande ne modifiait pas la fréquence du cristal temporel. Cela représente la 'rigidité' du cristal à temps discret, disent-ils.

Et ils ont découvert que d'autres perturbations pourraient éventuellement détruire le cristal temporel. Lorsque les perturbations sont trop importantes, le cristal «fond», disent Monroe et co.

C'est un travail intéressant, bien qu'ésotérique. Il montre que les cristaux de temps peuvent réellement exister, comme l'ont prédit en 2012 le physicien lauréat du prix Nobel Frank Wilczek du MIT et Al Shapere de l'Université du Kentucky.

En ce qui concerne les applications, Monroe et co font quelques suggestions. Ils disent, par exemple, que les cristaux de temps pourraient être utilisés pour des tâches d'information quantique, telles que la mise en œuvre d'une mémoire quantique robuste.

Mais la nature exotique de nombreuses localisations corporelles et le fait qu'elle soit encore mal comprise peuvent signifier que d'autres physiciens voudront vérifier attentivement la nature de cet effet avant de confirmer qu'il montre vraiment l'existence de cristaux de temps.

Il y a donc un travail plus excitant à faire.

Réf : http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Observation d'un Cristal de Temps Discret

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