Dans une nouvelle étude publiée dans Physique naturelleles chercheurs ont réalisé la première observation expérimentale d'un cristal rondeau temporel, une nouvelle phase de la matière où l'ordre temporel à longue portée coexiste avec un désordre à court terme.
Nommé d'après la forme musicale classique où un thème répétitif alterne avec des variations contrastées (comme le Rondo alla Turca de Mozart), le cristal rondeau temporel présente un comportement parfaitement périodique à des moments de mesure spécifiques tout en montrant des fluctuations aléatoires contrôlables entre ces intervalles.
« La motivation de cette recherche vient de la façon dont l'ordre et la variation coexistent dans l'art et la nature », a expliqué Leo Moon, titulaire d'un doctorat de troisième année en sciences appliquées et technologies. étudiant à l'UC Berkeley et co-auteur de l'étude. « Des motifs périodiques répétitifs apparaissent naturellement dans les premières formes d'art en raison de leur simplicité, tandis que la musique et la poésie plus avancées créent des variations complexes sur un fond monotone. »
L’analogie s’étend au-delà de l’esthétique et de l’art. Même des substances familières comme la glace présentent cette dualité : les atomes d’oxygène forment un réseau cristallin tandis que les noyaux d’hydrogène restent disposés de manière aléatoire. De la même manière, les cristaux temporels découverts au cours de la dernière décennie brisent la symétrie de la translation temporelle en présentant des oscillations périodiques de longue durée.
Cependant, jusqu’à présent, les explorations d’ordre temporel non périodique se sont concentrées sur des modèles déterministes, tels que les quasi-cristaux. Le cristal rondeau est le premier à combiner un ordre stroboscopique avec un désordre aléatoire contrôlable.
Créer une nouvelle phase de la matière
Les chercheurs ont utilisé les spins nucléaires du carbone 13 dans le diamant comme simulateur quantique. Le système consistait en des spins nucléaires positionnés de manière aléatoire à température ambiante, interagissant via des couplages dipôle-dipôle à longue portée.
Les chercheurs ont commencé par hyperpolariser les spins nucléaires du carbone 13 en utilisant une technique qui exploite les centres de lacunes d'azote (NV), qui sont des défauts dans le diamant où un atome d'azote se trouve à côté d'un site de réseau vide.
Lorsqu'ils sont éclairés par un laser, ces centres NV deviennent polarisés en spin, et cette polarisation peut être transférée aux spins nucléaires environnants via des impulsions micro-ondes. Ce processus de 60 secondes a augmenté la polarisation du spin nucléaire près de 1 000 fois au-dessus de sa valeur d'équilibre thermique, créant ainsi un signal puissant qui a pu être suivi pendant de longues périodes.
Suite à cela, des séquences sophistiquées d'impulsions micro-ondes ont été appliquées, combinant des impulsions protectrices de « verrouillage de rotation » avec des impulsions d'inversion de polarisation stratégiquement synchronisées. Ce modèle de conduite structuré mais partiellement aléatoire a créé l'ordre du rondeau.
Les chercheurs ont utilisé un nouveau système de contrôle, qui utilise un générateur de formes d'onde arbitraires doté d'une mémoire de séquence étendue. Cela signifiait que le système pouvait exécuter plus de 720 impulsions différentes en une seule fois, ce qui est essentiel pour créer les entraînements structurés mais non périodiques qui génèrent l'ordre rondeau dans le cristal.
« Le réseau de diamant avec les spins nucléaires du carbone 13 constitue un cadre idéal pour explorer ces phases temporelles exotiques, car il combine naturellement stabilité, interactions fortes et lecture facile », a expliqué Moon. « Le diamant lui-même est incroyablement stable : il ne réagit pas chimiquement, il est insensible aux changements de température et il protège bien les tours du bruit extérieur. »
Les chercheurs ont déployé ce qu’ils appellent des lecteurs multipolaires aléatoires ou RMD. Ce sont des séquences structurées où le caractère aléatoire peut être systématiquement contrôlé.
À intervalles réguliers au cours du cycle d'entraînement, les spins nucléaires ont inversé leur polarisation de manière déterministe, présentant le comportement périodique caractéristique des cristaux temporels. Mais à mi-chemin entre ces mesures régulières, la polarisation fluctuait de manière aléatoire, ne montrant aucune tendance prévisible. Cette coexistence d'un ordre prévisible à longue distance et de fluctuations aléatoires à court terme est la marque de l'ordre rondeau.
Le pistolet fumant
L'équipe a observé que cet ordre de rondeau se maintenait pendant plus de 170 périodes, soit plus de quatre secondes.
La transformée de Fourier discrète de la dynamique a fourni la preuve de la nouvelle phase. Contrairement aux cristaux temporels discrets conventionnels, qui présentent un seul pic net dans leur spectre de fréquences, le cristal rondeau temporel présentait une distribution douce et continue sur toutes les fréquences.
Cette signature « irréfutable » confirmait la coexistence de l'ordre et du désordre temporels.
« L'ordre Rondeau montre que l'ordre et le désordre ne doivent pas nécessairement être opposés : ils peuvent en fait coexister dans un système quantique stable et piloté », a déclaré Moon.
Les chercheurs ont réussi à contrôler le comportement du système. La variation des paramètres d’entraînement leur a permis de tracer un diagramme de phases détaillé de la stabilité de l’ordre du rondeau. La durée de vie pourrait être ajustée en ajustant la période de pilotage et les imperfections des impulsions. Les taux de chauffage suivaient les lois d'échelle quadratiques et linéaires prévues.
Agrandir le paysage
L’équipe a également démontré que l’information pouvait être codée dans le désordre temporel.
En concevant des séquences spécifiques d'impulsions motrices, ils ont codé le titre de l'article, « Observation expérimentale d'un cristal rondeau temporel. Désordre temporel dans l'ordre spatio-temporel », dans la dynamique des micromouvements des spins nucléaires, stockant plus de 190 caractères.
En d’autres termes, les informations ne sont pas stockées dans l’espace mais dans le temps, codées selon que les spins pointent vers le haut ou vers le bas à des moments spécifiques de chaque cycle.
« Il n'existe pas encore d'application directe et immédiate, mais l'idée elle-même est fascinante : le désordre dans un lecteur non périodique peut réellement stocker des informations tout en préservant l'ordre à long terme », a déclaré Moon. « C'est un peu comme l'analogie entre l'eau et la glace : la glace a ordonné les positions de l'oxygène mais a désordonné les liaisons hydrogène, et ce caractère aléatoire local contient des informations structurelles. »
Les chercheurs suggèrent que la possibilité de réglage du trouble pourrait rendre cette plate-forme intéressante pour la conception de capteurs quantiques sélectivement sensibles à des plages de fréquences spécifiques.
Le travail élargit le paysage observé de l’ordre temporel hors équilibre au-delà des cristaux temporels conventionnels. En utilisant la même plate-forme expérimentale, l'équipe a également démontré des phénomènes connexes avec des entraînements apériodiques déterministes, notamment la séquence de Thue-Morse et la séquence de Fibonacci, réalisant expérimentalement des cristaux apériodiques temporels et des quasi-cristaux temporels aux côtés de l'ordre rondeau.
Pour l’avenir, Moon a mentionné que l’équipe explorait des plates-formes matérielles alternatives au-delà du diamant, notamment des cristaux moléculaires dopés au pentacène où les spins nucléaires de l’hydrogène-1 offrent une sensibilité accrue.
« Sur un plan plus appliqué, l'exploitation du désordre accordable dans de tels systèmes pourrait ouvrir la voie à des capteurs quantiques pratiques ou à des dispositifs de mémoire exploitant la stabilité dans le domaine temporel », a noté Moon.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Lisa Lock, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
