Des physiciens observent des cristaux de temps quantique interagissant entre eux

Avatar photo

Une équipe internationale de physiciens a étudié l’interaction contrôlée de deux cristaux de temps séparés dans l’espace.

Montage expérimental. Un cylindre contenant un échantillon en verre de quartz est partiellement rempli de 3He-B superfluide, laissant une surface libre du superfluide à environ 3 mm au-dessus du centre du système de bobines qui l'entoure. L'espace au-dessus de la surface libre est vide en raison de la disparition de la pression de vapeur de 3He à des températures inférieures au millikelvin. Dans cette configuration, les magnons peuvent être piégés à deux endroits distincts : dans le volume (couleur bleue) et au contact de la surface libre (couleur rouge). Des bobines de RMN transversales sont utilisées à la fois pour le pompage RF des magnons dans les BEC et pour l'enregistrement du signal induit par la précession cohérente de l'aimantation M (flèche jaune clair). L'amplitude du signal enregistré est proportionnelle à βM, l'angle de basculement de M, et sa fréquence correspond à la fréquence de précession du condensat. Les condensats sont piégés par l'effet combiné de la distribution de l'axe d'anisotropie orbitale du superfluide (flèches vertes) via le couplage spin-orbite, et un minimum du champ magnétique externe créé à l'aide d'une bobine de pincement (boucle de fil magenta). Le champ externe H est orienté le long de l'axe z du récipient de l'échantillon. Crédit image : Autti et al, doi : 10.1038/s41563-020-0780-y.

Montage expérimental. Le cylindre du récipient d’échantillon en verre de quartz est partiellement rempli de superfluide. 3He-B, laissant une surface libre du superfluide à environ 3 mm au-dessus du centre du système de bobines qui l’entoure. L’espace au-dessus de la surface libre est vide en raison de la pression de vapeur nulle de 3He à des températures inférieures au millikelvin. Dans cette configuration, les magnons peuvent être piégés à deux endroits différents, dans le volume (couleur bleue) et au contact de la surface libre (couleur rouge). Des bobines de RMN transversales sont utilisées à la fois pour le pompage RF des magnons dans les BEC et pour l’enregistrement du signal induit par la précession cohérente de l’aimantation M (flèche jaune clair). L’amplitude du signal enregistré est proportionnelle à βM, l’angle de basculement de M, et sa fréquence correspond à la fréquence de précession du condensat. Les condensats sont piégés par l’effet combiné de la distribution de l’axe d’anisotropie orbitale du superfluide (flèches vertes) via le couplage spin-orbite, et un minimum du champ magnétique externe créé à l’aide d’une bobine de pincement (boucle de fil magenta). Le champ externe H est orienté le long de l’axe z du récipient de l’échantillon. Crédit image : Autti et al, doi : 10.1038/s41563-020-0780-y.

Les cristaux temporels sont différents d’un cristal standard, qui est composé d’atomes disposés selon un motif se répétant régulièrement dans l’espace.

Théorisés pour la première fois en 2012 par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek et identifiés en 2016, ils présentent l’étrange propriété d’être en mouvement constant et répétitif dans le temps malgré l’absence d’entrée externe.

Leurs atomes sont constamment en train d’osciller, de tourner, ou de se déplacer d’abord dans une direction, puis dans l’autre.

Les cristaux de temps ont un grand potentiel d’applications pratiques. Ils pourraient être utilisés pour améliorer la technologie actuelle des horloges atomiques – des pièces d’horlogerie complexes qui donnent l’heure la plus précise qu’il soit possible d’obtenir.

Ils pourraient également améliorer des technologies telles que les gyroscopes et les systèmes qui dépendent des horloges atomiques, comme le GPS.

“Contrôler l’interaction de deux cristaux de temps est une réalisation majeure”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, le Dr Samuli Autti, chercheur au département de physique de l’université de Lancaster et au département de physique appliquée de l’université d’Aalto.

“Avant cela, personne n’avait observé deux cristaux de temps dans le même système, et encore moins les voir interagir.”

“Les interactions contrôlées sont l’élément numéro un sur la liste de souhaits de quiconque cherche à exploiter un cristal de temps pour des applications pratiques, comme le traitement de l’information quantique.”

Cristal de temps AC effet Josephson. Tension enregistrée à partir des bobines de captage (bobines de RMN) après préamplification, analysée avec une analyse de Fourier à fenêtre temporelle (transformée de Fourier rapide, FFT). Deux cristaux temporels magnon-BEC coexistants, créés avec une impulsion d'excitation RF à t = 0, sont visibles comme pics dans le spectre de Fourier. Pour plus de clarté, l'impulsion d'excitation est laissée juste en dehors de la fenêtre temporelle représentée ici. Ici, fL = 833 kHz est la fréquence de Larmor. La trace supérieure correspond au cristal temporel de magnon-BEC dans le volume, et la trace inférieure au cristal temporel touchant la surface libre. Le piège en vrac est le plus flexible des deux, et la fréquence du cristal temporel en vrac augmente donc plus pendant la décroissance que celle du cristal de surface. Oscillations de population entre les cristaux de tempsentraînent des oscillations d'amplitude des deux signaux, visibles sous la forme de deux bandes latérales. Crédit image : Autti et al, doi : 10.1038/s41563-020-0780-y.

Effet Josephson AC à cristal de temps. Tension enregistrée à partir des bobines de captage (bobines de RMN) après préamplification, analysée avec une analyse de Fourier à fenêtre temporelle (transformée de Fourier rapide, FFT). Deux cristaux temporels de magnon-BEC coexistants, créés avec une impulsion d’excitation RF à t = 0, sont visibles comme pics dans le spectre de Fourier. Pour plus de clarté, l’impulsion d’excitation est laissée juste en dehors de la fenêtre temporelle représentée ici. Ici, fL = 833 kHz est la fréquence de Larmor. La trace supérieure correspond au cristal temporel de magnon-BEC dans le volume, et la trace inférieure au cristal temporel touchant la surface libre. Le piège en vrac est le plus flexible des deux, et la fréquence du cristal temporel en vrac augmente donc plus pendant la décroissance que celle du cristal de surface. Les oscillations de population entre les cristaux temporels entraînent des oscillations d’amplitude des deux signaux, visibles sous la forme de deux bandes latérales. Crédit image : Autti et al, doi : 10.1038/s41563-020-0780-y.

Autti et ses collègues ont observé des cristaux de temps en utilisant de l’hélium-3, un isotope rare de l’hélium auquel il manque un neutron.

Les physiciens ont refroidi l’hélium-3 superfluide à un dix millième de degré du zéro absolu (0,0001 K, ou moins 273,15 degrés Celsius).

Ils ont ensuite créé deux cristaux de temps à l’intérieur du superfluide, et les ont laissé se toucher.

Ils ont observé que les deux cristaux de temps interagissaient et échangeaient des particules constitutives passant d’un cristal de temps à l’autre, et inversement – un phénomène connu sous le nom d’effet Josephson.

Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials.

Related Posts