Un atome de Rydberg possède un électron qui est très éloigné du noyau. Crédit : TU Wien
Des chercheurs ont créé un état de la matière extrêmement exotique, dont les atomes ont un diamètre cent fois plus grand que la normale.
Les cristaux temporels, proposés à l'origine par le prix Nobel Frank Wilczek en 2012, ont été créés avec succès à l'Université Tsinghua en Chine, grâce à des atomes de Rydberg et à une lumière laser, avec le soutien théorique de la TU Wien en Autriche. Ce nouvel état de la matière ne se répète pas dans l'espace comme les cristaux traditionnels, mais dans le temps, affichant des rythmes périodiques spontanés sans stimulus externe, un phénomène connu sous le nom de brisure spontanée de symétrie.
Un cristal est un agencement d’atomes qui se répète dans l’espace, à intervalles réguliers : à chaque point, le cristal a exactement la même apparence. En 2012, le prix Nobel Frank Wilczek a posé la question suivante : pourrait-il exister un cristal temporel, un objet qui se répète non pas dans l’espace mais dans le temps ? Et serait-il possible qu’un rythme périodique émerge, même si aucun rythme spécifique n’est imposé au système et que l’interaction entre les particules est complètement indépendante du temps ?
L'idée de Frank Wilczek a suscité de nombreuses controverses pendant des années. Certains considéraient que les cristaux temporels étaient en principe impossibles, tandis que d'autres essayaient de trouver des échappatoires et de réaliser des cristaux temporels dans certaines conditions particulières. Aujourd'hui, un type de cristal temporel particulièrement spectaculaire a été créé avec succès à l'Université Tsinghua en Chine, avec le soutien de la TU Wien en Autriche. L'équipe a utilisé une lumière laser et des types d'atomes très particuliers, à savoir les atomes de Rydberg, dont le diamètre est plusieurs centaines de fois plus grand que la normale. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Physique de la nature.
Rupture spontanée de symétrie
Le tic-tac d'une horloge est également un exemple de mouvement périodique dans le temps. Cependant, il ne se produit pas tout seul : quelqu'un doit remonter l'horloge et la mettre en marche à un moment précis. Ce moment de démarrage détermine ensuite le moment des tic-tac. Il en va autrement avec un cristal temporel : selon l'idée de Wilczek, une périodicité devrait apparaître spontanément, bien qu'il n'y ait en fait aucune différence physique entre les différents points dans le temps.
« La fréquence des tics est prédéterminée par les propriétés physiques du système, mais les moments auxquels le tic-tac se produit sont complètement aléatoires ; c'est ce qu'on appelle la brisure spontanée de symétrie », explique le professeur Thomas Pohl de l'Institut de physique théorique de l'Université technique de Vienne.
Un système statique avec un apport continu de lumière produit des signaux périodiques dépendant du temps. Crédit : TU Wien
Thomas Pohl a dirigé la partie théorique des travaux de recherche qui ont conduit à la découverte d'un cristal temporel à l'Université Tsinghua en Chine : un faisceau laser a été dirigé vers un récipient en verre rempli d'un gaz d'atomes de rubidium. L'intensité du signal lumineux qui arrivait à l'autre extrémité du récipient a été mesurée.
« Il s’agit en fait d’une expérience statique dans laquelle aucun rythme spécifique n’est imposé au système », explique Thomas Pohl. « Les interactions entre la lumière et les atomes sont toujours les mêmes, le faisceau laser a une intensité constante. Mais de manière surprenante, il s’est avéré que l’intensité qui arrive à l’autre extrémité de la cellule de verre commence à osciller selon des schémas très réguliers. »
Atomes géants
La clé de l'expérience était de préparer les atomes d'une manière spéciale : les électrons d'un atome Les atomes peuvent tourner autour du noyau en suivant des trajectoires différentes, en fonction de leur énergie. Si l'on ajoute de l'énergie à l'électron le plus externe d'un atome, sa distance par rapport au noyau atomique peut devenir très grande. Dans les cas extrêmes, il peut être plusieurs centaines de fois plus éloigné du noyau que d'habitude. De cette façon, des atomes dotés d'une couche électronique géante sont créés, appelés atomes de Rydberg.
« Si les atomes de notre récipient en verre sont préparés dans de tels états de Rydberg et que leur diamètre devient énorme, les forces entre ces atomes deviennent également très importantes », explique Thomas Pohl. « Et cela modifie à son tour la manière dont ils interagissent avec le laser. Si vous choisissez la lumière laser de telle sorte qu’elle puisse exciter simultanément deux états de Rydberg différents dans chaque atome, une boucle de rétroaction se crée, qui provoque des oscillations spontanées entre les deux états atomiques. Cela conduit également à une absorption de lumière oscillante. » Les atomes géants se mettent tout seuls à battre régulièrement, et ce battement se traduit par le rythme de l’intensité lumineuse qui arrive à l’extrémité du récipient en verre.
« Nous avons créé ici un nouveau système qui fournit une plateforme puissante pour approfondir notre compréhension du phénomène des cristaux temporels d’une manière qui se rapproche beaucoup de l’idée originale de Frank Wilczek », explique Thomas Pohl. « Des oscillations précises et auto-entretenues pourraient par exemple être utilisées pour des capteurs. Des atomes géants avec des états de Rydberg ont déjà été utilisés avec succès pour de telles techniques dans d’autres contextes. »
