Dans leurs efforts continus pour repousser les limites des possibilités quantiques, les physiciens en arts et sciences de l'Université de Washington à St. Louis ont créé un nouveau type de «Crystal Time», une nouvelle phase de matière qui défie les perceptions communes du mouvement et du temps.
L'équipe de recherche de Washu comprend Kater Murch, le professeur de physique de Charles M. Hohenberg, Chong Zu, professeur adjoint de physique, et les étudiants diplômés de Zu Guanghui He, Ruotian « Reginald » Gong, Changyu Yao et Zhongyuan Liu. Bingtian Ye du Massachusetts Institute of Technology et Norman Yao de l'Université de Harvard sont également des auteurs de la recherche, qui a été publié dans la revue Examen physique X.
Zu, lui et Ye ont parlé de leur réalisation et des implications de prendre du temps dans un cristal.
Qu'est-ce qu'un cristal de temps?
Pour comprendre un cristal de temps, il est utile de penser à des cristaux familiers tels que les diamants ou le quartz. Ces minéraux doivent leur forme et leur brillance à leurs structures hautement organisées. Les atomes de carbone dans un diamant interagissent les uns avec les autres pour former des modèles répétés et prévisibles.
Tout comme les atomes dans un motif de répétition de cristal normal dans l'espace, les particules dans un temps de répétition de cristal au fil du temps, a expliqué Zu. En d'autres termes, ils vibrent ou «cochent» à des fréquences constantes, les faisant cristalliser en quatre dimensions: les trois dimensions physiques plus la dimension du temps.
Qu'est-ce qui rend un cristal de temps spécial?
Les cristaux de temps sont comme une horloge qui n'a jamais besoin d'enroulement ou de batteries. « En théorie, il devrait pouvoir continuer pour toujours », a déclaré Zu. En pratique, les cristaux de temps sont fragiles et sensibles à l'environnement. « Nous avons pu observer des centaines de cycles dans nos cristaux avant de tomber en panne, ce qui est impressionnant. »
Les cristaux de temps existent depuis un petit moment; Le premier a été créé à l'Université du Maryland en 2016. L'équipe dirigée par Washu est allée plus loin pour construire quelque chose de plus incroyable: un quasi-cristal de temps. « C'est une phase de matière entièrement nouvelle », a déclaré Zu.
En quoi un quasi-cristal Time est-il différent d'un cristal de temps?
Dans la science des matériaux, les quasicristaux sont récemment découverts des substances très organisées même si leurs atomes ne suivent pas les mêmes schémas à chaque dimension. De la même manière, les différentes dimensions du temps quasi-cristaux vibrent à différentes fréquences, a expliqué lui, l'auteur principal de l'article. Les rythmes sont très précis et très organisés, mais c'est plus comme un accord qu'une seule note. « Nous croyons que nous sommes le premier groupe à créer un véritable quasi-cristal », a-t-il déclaré.
Comment les quasi-cristaux sont-ils créés?
L'équipe a construit ses quasi-cristaux à l'intérieur d'un petit morceau de diamant de la taille d'un millimètre. Ils ont ensuite bombardé le diamant de poutres d'azote qui étaient suffisamment puissantes pour éliminer les atomes de carbone, laissant des espaces vides de la taille d'un atome. Les électrons se déplacent dans ces espaces et chaque électron a des interactions au niveau quantique avec ses voisins. Zu et ses collègues ont utilisé une approche similaire pour construire un microscope en diamant quantique.
Les quasi-cristaux sont constitués de plus d'un million de ces postes vacants dans le diamant. Chaque quasi-cristal est environ un micromètre (un millième d'un millimètre), ce qui est trop petit pour être vu sans microscope. « Nous avons utilisé des impulsions micro-ondes pour démarrer les rythmes dans le temps des quasi-cristaux », a déclaré Ye. « Les micro-ondes aident à créer l'ordre dans le temps. »
Quelles sont les utilisations potentielles des cristaux de temps ou des quasi-cristaux?
La simple existence de cristaux de temps et de quasicristaux confirme certaines théories de base de la mécanique quantique, donc elles sont utiles de cette manière, a déclaré Zu. Mais ils pourraient également avoir des applications pratiques. Parce qu'ils sont sensibles aux forces quantiques telles que le magnétisme, les cristaux de temps pourraient être utilisés comme des capteurs quantiques durables qui n'ont jamais besoin d'être rechargés.
Les cristaux de temps offrent également une nouvelle voie pour le chronomètre de précision. Les oscillateurs en cristal de quartz dans les montres et l'électronique ont tendance à dériver et à nécessiter l'étalonnage. Un cristal de temps, en revanche, pourrait maintenir une tique cohérente avec une perte d'énergie minimale. Un capteur de quasi-cristal Time pourrait potentiellement mesurer plusieurs fréquences à la fois, créant une image plus complète de la durée de vie d'un matériau quantique. Premièrement, les chercheurs devraient mieux comprendre comment lire et suivre le signal. Ils ne peuvent pas encore dire précisément l'heure avec un cristal de temps; Ils ne peuvent que le faire cocher.
Parce que les cristaux de temps peuvent théoriquement cocher pour toujours sans perdre de l'énergie, il y a beaucoup d'intérêt à exploiter leur puissance pour les ordinateurs quantiques. « Ils pouvaient stocker la mémoire quantique sur de longues périodes, essentiellement comme un analogue quantique de RAM », a déclaré Zu. « Nous sommes loin de ce type de technologie, mais créer un quasi-cristal de temps est une première étape cruciale. »
