Les scientifiques ont réalisé des progrès significatifs dans le domaine de la physique quantique en produisant un cristal temporel dont la durée de vie est des millions de fois plus longue que celle obtenue auparavant. Cette découverte valide la prédiction théorique des cristaux temporels réalisée par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012, démontrant un comportement périodique dans un système sans influence externe périodique.
Les chercheurs ont réussi à prolonger la durée de vie des cristaux temporels, confirmant ainsi un concept théorique proposé par Frank Wilczek. Cela marque une avancée significative dans la physique quantique.
Une équipe de l’Université TU de Dortmund a récemment réussi à produire un cristal temporel très durable qui a vécu des millions de fois plus longtemps que ce qui avait pu être démontré lors d’expériences précédentes. Ce faisant, ils ont corroboré un phénomène extrêmement intéressant, postulé il y a une dizaine d’années par le prix Nobel Frank Wilczek et qui avait déjà trouvé sa place dans les films de science-fiction. Les résultats ont maintenant été publiés dans Physique naturelle.
Réalisation révolutionnaire dans la recherche sur les cristaux temporels
Les cristaux ou, pour être plus précis, les cristaux dans l’espace, sont des arrangements périodiques d’atomes sur de grandes échelles. Cet agencement donne aux cristaux leur aspect fascinant, avec des facettes lisses comme celles des pierres précieuses.
Comme la physique traite souvent l’espace et le temps sur un seul et même niveau, par exemple dans la relativité restreinte, Frank Wilczek, physicien au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et lauréat du prix Nobel de physique, postulait en 2012 qu’en plus Aux cristaux dans l’espace, il doit aussi y avoir des cristaux dans le temps. Pour que cela soit le cas, dit-il, il faudrait que l’une de leurs propriétés physiques commence spontanément à changer périodiquement dans le temps, même si le système ne subit pas d’interférence périodique correspondante.
Ce qui ressemble à une flamme est la mesure du nouveau cristal temporel : chaque point correspond à une valeur expérimentale, ce qui donne lieu à différentes vues de la dynamique périodique de la polarisation du spin nucléaire du cristal temporel. Crédit : Alex Greilich/Université TU de Dortmund
Comprendre les cristaux de temps
La possibilité de tels cristaux temporels a fait l’objet d’un débat scientifique controversé pendant plusieurs années – mais n’a pas tardé à arriver dans les salles de cinéma : par exemple, un cristal temporel a joué un rôle central dans le film Avengers : Endgame (2019) des studios Marvel. Depuis 2017, les scientifiques ont en effet réussi à plusieurs reprises à démontrer un potentiel cristal temporel.
Le Dr Alex Greilich travaille au centre de recherche sur la matière condensée du département de physique de l’université TU de Dortmund. Crédit : Université TU de Dortmund
Cependant, il s’agissait de systèmes qui, contrairement à l’idée originale de Wilczek, sont soumis à une excitation temporelle avec une périodicité spécifique, mais réagissent ensuite avec une autre période deux fois plus longue. Un cristal qui se comporte périodiquement dans le temps, bien que l’excitation soit indépendante du temps, c’est-à-dire constante, n’a été démontré qu’en 2022 dans un condensat de Bose-Einstein. Cependant, le cristal n’a vécu que quelques millisecondes.
Un bond dans le temps : la longévité des cristaux
Les physiciens de Dortmund dirigés par le Dr Alex Greilich ont conçu un cristal spécial en arséniure d’indium et de gallium, dans lequel les spins nucléaires servent de réservoir pour le cristal temporel. Le cristal est continuellement éclairé de sorte qu’une polarisation de spin nucléaire se forme par interaction avec les spins électroniques. Et c’est précisément cette polarisation de spin nucléaire qui génère alors spontanément des oscillations, équivalentes à un cristal temporel.
L’état actuel des expériences est que la durée de vie du cristal est d’au moins 40 minutes, soit dix millions de fois plus longue que ce qui a été démontré jusqu’à présent, et qu’il pourrait potentiellement vivre bien plus longtemps.
Il est possible de faire varier la période du cristal sur de larges plages en modifiant systématiquement les conditions expérimentales. Cependant, il est également possible de se déplacer dans des zones où le cristal « fond », c’est-à-dire perd sa périodicité. Ces domaines sont également intéressants, car des comportements chaotiques, qui peuvent se maintenir sur de longues périodes, se manifestent alors. C’est la première fois que les scientifiques peuvent utiliser des outils théoriques pour analyser le comportement chaotique de tels systèmes.
