Un morceau de cristal scintillant tire son irisation d’une structure atomique très régulière. Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel de physique 2012, a proposé que les systèmes quantiques – comme des groupes de particules – pourraient se construire de la même manière, mais dans le temps plutôt que dans l'espace. Il a surnommé ces systèmes des cristaux de temps, les définissant par leur état d'énergie le plus bas possible, qui répète perpétuellement des mouvements sans apport d'énergie externe. L’existence des cristaux temporels a été prouvée expérimentalement en 2016.
Aujourd'hui, des chercheurs du département de physique appliquée de l'université Aalto ont, pour la première fois, connecté un cristal temporel à un autre système externe à lui-même. L'étude, rédigée pour la première fois par Jere Mäkinen, chercheur à l'Académie, décrit comment l'équipe a transformé un cristal temporel en un système optomécanique qui pourrait être utilisé pour développer des éléments tels que des capteurs extrêmement précis ou des systèmes de mémoire pour les ordinateurs quantiques, augmentant ainsi considérablement leur puissance.
L'étude est publiée dans Communications naturelles .
« Le mouvement perpétuel est possible dans le domaine quantique tant qu'il n'est pas perturbé par un apport d'énergie externe, par exemple en l'observant. C'est pourquoi un cristal temporel n'a jamais été connecté à un système externe auparavant », explique Mäkinen. « Mais c'est exactement ce que nous avons fait et avons montré, également pour la première fois, que cette méthode permet d'ajuster les propriétés du cristal. »
Les physiciens ont utilisé des ondes radio pour pomper des magnons dans un superfluide d’hélium-3 refroidi à un zéro quasi absolu. Les magnons sont des quasiparticules, c'est-à-dire des groupes de particules se comportant comme s'il s'agissait de particules individuelles. Lorsque l'équipe a éteint la pompe, les magnons ont formé un cristal temporel qui est resté en mouvement pendant une durée sans précédent, pouvant durer jusqu'à 10 heures.8 cycles ou plusieurs minutes avant de tomber à un niveau que les chercheurs ne pouvaient plus observer.
Pendant le processus d'évanouissement, le cristal temporel s'est connecté à un oscillateur mécanique proche d'une manière déterminée par la fréquence et l'amplitude de l'oscillateur.
« Nous avons montré que les changements dans la fréquence du cristal temporel sont complètement analogues aux phénomènes optomécaniques largement connus en physique. Ce sont les mêmes phénomènes qui sont utilisés, par exemple, dans la détection des ondes gravitationnelles à l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser aux États-Unis. En réduisant la perte d'énergie et en augmentant la fréquence de cet oscillateur mécanique, notre configuration pourrait être optimisée pour atteindre près de la frontière du quantum. domaine », déclare Mäkinen.
Les cristaux temporels pourraient être utilisés pour augmenter considérablement la puissance de calcul et de détection quantique.
« Les cristaux temporels durent des ordres de grandeur plus longs que les systèmes quantiques actuellement utilisés dans l'informatique quantique. Le meilleur des cas est que les cristaux temporels pourraient alimenter les systèmes de mémoire des ordinateurs quantiques pour les améliorer considérablement. Ils pourraient également être utilisés comme peignes de fréquence, qui sont utilisés dans des appareils de mesure extrêmement sensibles comme références de fréquence », explique Mäkinen.
