Des physiciens dévoilent des “cristaux de temps” Sci.News

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Grâce à la percée d’une équipe de recherche dirigée par le physicien Norman Yao de l’Université de Californie à Berkeley, les cristaux de temps sont désormais une réalité.

En suivant un plan créé par N.Y. Yao et al, les physiciens de l'Université du Maryland ont fabriqué le premier cristal de temps en utilisant une chaîne unidimensionnelle d'ions d'ytterbium ; chaque ion se comporte comme un spin électronique et présente des interactions à longue portée indiquées par les flèches. Crédit image : J. Zhang et al.

En suivant un modèle créé par N.Y. Yao et al.les physiciens de l’université du Maryland ont fabriqué le premier cristal temporel à l’aide d’une chaîne unidimensionnelle d’ions d’ytterbium. Chaque ion se comporte comme un spin électronique et présente des interactions à longue portée indiquées par les flèches. Crédit image : J. Zhang et al.

Si les cristaux ont une structure atomique qui se répète dans l’espace, comme le réseau de carbone d’un diamant, pourquoi les cristaux ne peuvent-ils pas aussi avoir une structure qui se répète dans le temps ? C’est-à-dire un cristal temporel ?

Dans un article publié dans le journal Physical Review LettersYao et ses co-auteurs décrivent comment fabriquer et mesurer les propriétés d’un cristal de temps, et prédisent même quelles devraient être les différentes phases entourant le cristal de temps.

Il ne s’agit pas d’une simple spéculation. Deux groupes de l’université du Maryland et de l’université Harvard ont suivi le plan de l’équipe de Berkeley et ont déjà créé les tout premiers cristaux de temps. Les chercheurs ont fait part de leur réussite dans des articles (article 1 et article 2) publiés récemment sur arXiv.org.

“Les cristaux temporels se répètent dans le temps parce qu’ils sont frappés périodiquement, un peu comme si l’on tapait plusieurs fois sur de la gelée pour la faire bouger”, a déclaré le Dr Yao.

“La grande découverte n’est pas tant le fait que ces cristaux particuliers se répètent dans le temps que le fait qu’ils sont les premiers d’une grande classe de nouveaux matériaux qui sont intrinsèquement hors d’équilibre, incapables de se stabiliser à l’équilibre immobile d’un diamant ou d’un rubis, par exemple.”

“Il s’agit d’une nouvelle phase de la matière, un point c’est tout, mais c’est aussi vraiment cool parce que c’est l’un des premiers exemples de matière hors équilibre.”

“Au cours du dernier demi-siècle, nous avons exploré la matière à l’équilibre, comme les métaux et les isolants. Nous commençons tout juste à explorer un tout nouveau paysage de la matière hors équilibre. “

Bien que le Dr Yao ait du mal à imaginer l’utilisation d’un cristal temporel, d’autres phases proposées de matière hors équilibre sont théoriquement prometteuses en tant que mémoires presque parfaites et pourraient être utiles dans les ordinateurs quantiques.

Ce diagramme de phase montre comment la modification des paramètres expérimentaux peut faire

Ce diagramme de phase montre comment la modification des paramètres expérimentaux peut faire ” fondre ” un cristal temporel en un isolant normal ou le chauffer jusqu’à un état thermique à haute température. Crédit image : N.Y. Yao et al.

Les cristaux de temps ont été initialement théorisés par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012.

En 2016, des physiciens théoriciens de l’Université de Princeton et de l’Université de Californie Santa Barbara ont prouvé indépendamment qu’un tel cristal pouvait être fabriqué.

Selon le Dr Yao, son équipe était “le pont entre l’idée théorique et la mise en œuvre expérimentale.”

“Du point de vue de la mécanique quantique, les électrons peuvent former des cristaux qui ne correspondent pas à la symétrie de translation spatiale sous-jacente du réseau ordonné en 3D des atomes”, a-t-il déclaré.

“Cela brise la symétrie du matériau et conduit à des propriétés uniques et stables que nous définissons comme un cristal.”

L’équipe de Harvard a mis en place son cristal temporel en utilisant des centres de vacance d’azote densément emballés dans des diamants.

Le cristal temporel créé par l’équipe du Maryland utilise une ligne de conga de 10 ions ytterbium dont les spins électroniques interagissent, comme les systèmes de qubits testés comme ordinateurs quantiques.

Pour maintenir les ions hors d’équilibre, les physiciens les frappent alternativement avec un laser pour créer un champ magnétique efficace et un second laser pour retourner partiellement les spins des atomes, répétant la séquence plusieurs fois.

Comme les spins interagissent, les atomes se sont installés dans un modèle stable et répétitif de retournement de spin qui définit un cristal.

Un cristal temporel brise la symétrie temporelle. Dans ce cas particulier, le champ magnétique et le laser qui commandent périodiquement les atomes d’ytterbium produisent une répétition dans le système à deux fois la période des conducteurs, ce qui ne se produirait pas dans un système normal.

“Ce ne serait pas super bizarre si vous secouiez la gelée et que vous trouviez qued’une manière ou d’une autre, il a réagi à une période différente ?” Dr. Yao a dit.

“Mais c’est l’essence même du cristal temporel. Vous avez un pilote périodique qui a une période ‘T’, mais le système se synchronise d’une manière ou d’une autre de sorte que vous observez le système qui oscille avec une période qui est plus grande que ‘T’. “

Le Dr Yao a travaillé en étroite collaboration avec les physiciens du Maryland pendant la fabrication du nouveau matériau, les aidant à se concentrer sur les propriétés importantes à mesurer pour confirmer que le matériau était en fait un cristal temporel stable ou rigide.

Il a également décrit comment le cristal de temps changeait de phase, comme un glaçon qui fond, sous différents champs magnétiques et impulsions laser.

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