Développement de cristaux de temps pour une utilisation dans des applications du monde réel

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Abstract Time Crystal Concept

Concept de cristal de temps abstrait

Les cristaux de temps qui persistent indéfiniment à température ambiante pourraient avoir des applications dans la mesure du temps de précision.

Nous avons tous vu des cristaux, qu’il s’agisse d’un simple grain de sel ou de sucre, ou d’une magnifique améthyste élaborée. Ces cristaux sont constitués d’atomes ou de molécules qui se répètent selon un motif tridimensionnel symétrique appelé réseau, dans lequel les atomes occupent des points spécifiques dans l’espace. En formant un réseau périodique, les atomes de carbone d’un diamant, par exemple, brisent la symétrie de l’espace dans lequel ils se trouvent. Les physiciens appellent cela “briser la symétrie”.

Les scientifiques ont récemment découvert qu’un effet similaire peut être observé dans le temps. La rupture de symétrie, comme son nom l’indique, ne peut se produire que lorsqu’une certaine forme de symétrie existe. Dans le domaine temporel, une force ou une source d’énergie changeant de manière cyclique produit naturellement un modèle temporel.

La rupture de la symétrie se produit lorsqu’un système piloté par une telle force est confronté à un moment de déjà vu, mais… pas avec la même période que celle de la force. Au cours de la dernière décennie, les “cristaux de temps” ont été considérés comme une nouvelle phase de la matière et, plus récemment, ils ont été observés dans des conditions expérimentales élaborées dans des systèmes isolés. Ces expériences nécessitent des températures extrêmement basses ou d’autres conditions rigoureuses pour minimiser les influences extérieures indésirables.

Afin que les scientifiques puissent en apprendre davantage sur les cristaux temporels et utiliser leur potentiel dans la technologie, ils doivent trouver des moyens de produire des états cristallins temporels et de les maintenir stables en dehors du laboratoire.

Des recherches de pointe menées par l’UC Riverside et publiées cette semaine dans la revue Nature Communications a maintenant observé des cristaux de temps dans un système qui n’est pas isolé de son environnement ambiant. Cette avancée majeure rapproche les scientifiques du développement de cristaux temporels destinés à être utilisés dans des applications réelles.

“Lorsque votre système expérimental échange de l’énergie avec son environnement, la dissipation et le bruit travaillent main dans la main pour détruire l’ordre temporel”, a déclaré l’auteur principal Hossein Taheri, professeur assistant de recherche en génie électrique et informatique au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering de l’UC Riverside. “Dans notre plateforme photonique, le système trouve un équilibre entre le gain et la perte pour créer et préserver les cristaux de temps.”

Faisant avancer la notion méditée il y a dix ans par le prix Nobel Frank Wilczek, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur assistant de recherche de l’UC Riverside Hossein Taheri démontre de nouveaux cristaux de temps qui persistent indéfiniment à température ambiante, malgré le bruit et la perte d’énergie.

Le cristal temporel entièrement optique est réalisé à l’aide d’un résonateur en verre de fluorure de magnésium en forme de disque d’un millimètre de diamètre. Lorsqu’il est bombardé par deux faisceaux laser, les chercheurs ont observé des pointes subharmoniques, ou des tonalités de fréquence entre les deux faisceaux laser, qui indiquent une rupture de la symétrie temporelle et la création de cristaux de temps.

L’équipe dirigée par l’UCR a utilisé une technique appelée verrouillage par auto-injection des deux lasers sur le résonateur afin d’obtenir une certaine robustesse contre les effets environnementaux. Les signatures de l’état de répétition temporelle de ce système peuvent facilement être mesurées dans le domaine des fréquences. La plate-forme proposée simplifie donc l’étude de cette nouvelle phase de la matière.

Sans avoir besoin d’une basse température, le système peut être déplacé hors d’un laboratoire complexe pour des applications sur le terrain. L’une de ces applications pourrait être la mesure très précise du temps. La fréquence et le temps étant des inverses mathématiques l’un de l’autre, accuracy in measuring frequency enables accurate time measurement.

“We hope that this photonic system can be utilized in compact and lightweight radiofrequency sources with superior stability as well as in precision timekeeping,” said Taheri.

Reference: “All-optical dissipative discrete time crystals” by Hossein Taheri, Andrey B. Matsko, Lute Maleki and Krzysztof Sacha, 14 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28462-x

Taheri was joined in the research by Andrey B. Matsko at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Lute Maleki at OEwaves Inc. in Pasadena, Calif., and Krzysztof Sacha at Jagiellonian University in Poland.

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