La nature a de nombreux rythmes: les saisons résultent du mouvement de la Terre autour du soleil, le tic-tac d'une horloge pendule résulte de l'oscillation de son pendule. Ces phénomènes peuvent être compris avec des équations très simples. Cependant, des rythmes réguliers peuvent également survenir d'une manière complètement différente – par eux-mêmes, sans horloge externe, à travers l'interaction complexe de nombreuses particules. Au lieu d'un trouble uniforme, un rythme fixe émerge – cela est appelé un «cristal de temps».
Les calculs de Tu Wien (Vienne) montrent maintenant que de tels cristaux de temps peuvent également être générés d'une manière complètement différente de celle précédemment. Les corrélations physiques quantiques entre les particules, qui étaient auparavant considérées comme nocives pour l'émergence de tels phénomènes, peuvent en fait stabiliser les cristaux de temps. Il s'agit d'un nouveau aperçu surprenant de la physique quantique des systèmes à plusieurs parties.
Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique.
Cristaux d'espace et cristaux de temps
Lorsqu'un liquide gèle, les particules changent leur ordre spatial: dans le liquide, ils se déplacent sauvagement et au hasard, sans structure. Lorsque le liquide gèle, un cristal se forme dans lequel les particules individuelles sont situées à des endroits très spécifiques dans un schéma très régulier. Un liquide est le même partout, il a les mêmes propriétés partout et dans toutes les directions, elle est complètement symétrique. Dans un cristal, cependant, cette symétrie est brisée: soudain, il y a une structure régulière, il y a une direction qui diffère des autres directions.
Ce type de rupture de symétrie peut-il également se produire dans le temps? Est-il possible qu'un système quantique soit initialement désordonné dans le temps, que chaque point dans le temps soit le même que tous les autres, mais qu'un ordre temporel émerge néanmoins?
FLUCUATIONS Quantum: nocives ou utiles?
« Cette question fait l'objet de recherches intensives en physique quantique depuis plus de dix ans », explique Felix Russo de l'Institut de physique théorique de Tu Wien, qui mène des recherches pour sa thèse de doctorat dans l'équipe du professeur Thomas Pohl. En fait, il a été démontré que les soi-disant cristaux de temps sont possibles – systèmes dans lesquels un rythme temporel est établi sans que le rythme soit imposé de l'extérieur.
« Cependant, on pensait que cela n'était possible que dans des systèmes très spécifiques, tels que les gaz quantiques, dont la physique peut être bien décrite par des valeurs moyennes sans avoir à prendre en compte les fluctuations aléatoires qui sont inévitables dans la physique quantique », explique Russo. « Nous avons maintenant montré que c'est précisément les corrélations physiques quantiques entre les particules, qui étaient auparavant considérées comme empêchant la formation de cristaux de temps, qui peuvent conduire à l'émergence de phases de cristallin temporel. »
Les interactions quantiques complexes entre les particules induisent un comportement collectif qui ne peut pas être expliqué au niveau des particules individuelles – similaire à la façon dont la fumée d'une bougie éteinte peut parfois former une série régulière d'anneaux de fumée; Un phénomène dont le rythme n'est pas dicté de l'extérieur et qui ne peut pas être compris à partir de particules de fumée unique.
Particules dans le réseau laser
« Nous étudions un réseau bidimensionnel de particules maintenues en place par les faisceaux laser », explique Russo. « Et ici, nous pouvons montrer que l'état du réseau commence à osciller – à l'interaction quantique entre les particules. »
La recherche offre la possibilité de mieux comprendre la théorie des systèmes quantiques à plusieurs corps, ouvrant la voie à de nouvelles technologies quantiques ou à des techniques de mesure quantique de haute précision.
