Imaginez une horloge qui n'a pas d'électricité, mais ses mains et ses engrenages tournent seuls pour l'éternité. Dans une nouvelle étude, les physiciens de l'Université du Colorado Boulder ont utilisé des cristaux liquides, les mêmes matériaux qui sont dans votre affichage téléphonique, pour créer une telle horloge – ou, au moins, aussi près que les humains peuvent arriver à cette idée. L'avancement de l'équipe est un nouvel exemple de «cristal de temps». C'est le nom d'une curieuse phase de matière dans laquelle les pièces, telles que des atomes ou d'autres particules, existent en mouvement constant.
Les chercheurs ne sont pas les premiers à faire un cristal de temps, mais leur création est la première que les humains peuvent réellement voir, ce qui pourrait ouvrir une multitude d'applications technologiques.
« Ils peuvent être observés directement au microscope et même, dans des conditions spéciales, par l'œil nu », a déclaré Hanqing Zhao, auteur principal de l'étude et étudiant diplômé du Département de physique de Cu Boulder.
Lui et Ivan Smalyukh, professeur de physique et boursier du Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), ont publié leurs conclusions le 4 septembre dans la revue Matériaux de la nature.
Dans l'étude, les chercheurs ont conçu des cellules de verre remplies de cristaux liquides – dans ce cas, des molécules en forme de tige qui se comportent un peu comme un solide et un peu comme un liquide. Dans des circonstances particulières, si vous allumez une lumière sur eux, les cristaux liquides commenceront à tourbillonner et à bouger, suivant les modèles qui se répètent au fil du temps.
Au microscope, ces échantillons de cristal liquides ressemblent à des rayures de tigres psychédéliques, et ils peuvent continuer à bouger pendant des heures – similaire à cette horloge de rotation éternellement.
« Tout est né de rien », a déclaré Smalyukh. « Tout ce que vous faites est de briller une lumière, et tout ce monde de cristaux de temps émerge. »
Zhao et Smalyukh sont membres du satellite du Colorado de l'Institut international de durabilité avec des méta-chiraux noués (WPI-SKCM2) avec un siège social à l'Université d'Hiroshima au Japon, un institut international avec des missions pour créer des formes artificielles de matière et de contribution à la durabilité.
Cristaux dans l'espace et le temps
Les cristaux de temps peuvent ressembler à quelque chose de la science-fiction, mais ils s'inspirent des cristaux naturels, comme les diamants ou le sel de table.
Le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a d'abord proposé l'idée des cristaux de temps en 2012. Vous pouvez considérer les cristaux traditionnels comme des «cristaux d'espace». Les atomes de carbone qui composent un diamant, par exemple, forment un motif de réseau dans l'espace qui est très difficile à se séparer.
Wilczek s'est demandé s'il serait possible de construire un cristal qui était également bien organisé, sauf dans le temps plutôt que dans l'espace. Même dans leur état de repos, les atomes dans un tel état ne formeraient pas un modèle de réseau, mais se déplaceraient ou se transformeraient dans un cycle sans fin – comme un GIF qui boucle pour toujours.
Le concept original de Wilczek s'est avéré impossible à rendre, mais, dans les années qui ont suivi, les scientifiques ont créé des phases de matière qui se rapprochent raisonnablement.
En 2021, par exemple, les physiciens ont utilisé l'ordinateur quantique Sycamore de Google pour créer un réseau spécial d'atomes. Lorsque l'équipe a donné à ces atomes un film avec un faisceau laser, ils ont subi des fluctuations qui se sont répétées plusieurs fois.
Cristaux de danse
Dans la nouvelle étude, Zhao et Smalyukh ont décidé de voir s'ils pouvaient réaliser un exploit similaire avec des cristaux liquides.
Smalyukh a expliqué que si vous pressez ces molécules de la bonne manière, ils se regrouperont si étroitement qu'ils forment des plis. Remarquablement, ces plis se déplacent et peuvent même, dans certaines conditions, se comporter comme des atomes.
« Vous avez ces rebondissements, et vous ne pouvez pas facilement les retirer », a déclaré Smalyukh. « Ils se comportent comme des particules et commencent à interagir les uns avec les autres. »
Dans la présente étude, Smalyukh et Zhao ont pris en sandwich une solution de cristaux liquides entre deux morceaux de verre qui étaient recouverts de molécules de colorant. En eux-mêmes, ces échantillons étaient surtout assis. Mais lorsque le groupe les a frappés avec un certain type de lumière, les molécules de teinture ont changé leur orientation et ont serré les cristaux liquides. Dans le processus, des milliers de nouveaux plis se sont soudainement formés.
Ces plis ont également commencé à interagir les uns avec les autres à la suite d'une série de pas incroyablement complexe. Pensez à une pièce remplie de danseurs dans un roman de Jane Austen. Les paires se séparent, tournent dans la pièce, se réunissent et recommencent. Les modèles dans le temps étaient également inhabituellement difficiles à briser – les chercheurs pouvaient augmenter ou abaisser la température de leurs échantillons sans perturber le mouvement des cristaux liquides.
« C'est la beauté de cette époque Crystal », a déclaré Smalyukh. « Vous créez juste des conditions qui ne sont pas si spéciales. Vous faites briller une lumière, et le tout se produit. »
Zhao et Smalyukh disent que de tels cristaux de temps pourraient avoir plusieurs utilisations. Les gouvernements pourraient, par exemple, ajouter ces matériaux à des factures pour les rendre plus difficiles à contrefaire – si vous voulez savoir si ce billet de 100 $ est authentique, il suffit de mettre en lumière le « filigrane du temps » et de regarder le motif qui apparaît. En empilant plusieurs cristaux de temps différents, le groupe peut créer des modèles encore plus compliqués, ce qui pourrait potentiellement permettre aux ingénieurs de stocker de grandes quantités de données numériques.
« Nous ne voulons pas limiter les applications en ce moment », a déclaré Smalyukh. « Je pense qu'il existe des opportunités de pousser cette technologie dans toutes sortes de directions. »
