Des scientifiques ont réussi à créer un cristal temporel composé d’atomes géants

Un cristal est un agencement d’atomes qui se répète dans l’espace, à intervalles réguliers : en tout point, le cristal a exactement la même apparence. En 2012, le prix Nobel Frank Wilczek a posé la question suivante : pourrait-il exister un cristal temporel, un objet qui se répète non pas dans l’espace mais dans le temps ? Et serait-il possible qu’un rythme périodique émerge, même si aucun rythme spécifique n’est imposé au système et que l’interaction entre les particules est complètement indépendante du temps ?

L’idée de Frank Wilczek a suscité de nombreuses controverses pendant des années. Certains considéraient que les cristaux temporels étaient en principe impossibles, tandis que d’autres essayaient de trouver des échappatoires et de réaliser des cristaux temporels dans certaines conditions particulières.

Un type de cristal temporel particulièrement spectaculaire a été créé avec succès à l’Université Tsinghua en Chine, avec le soutien de l’Université technique de Vienne en Autriche.

L’équipe a utilisé une lumière laser et des types particuliers d’atomes, à savoir des atomes de Rydberg, dont le diamètre est plusieurs centaines de fois plus grand que la normale. Les résultats ont été publiés dans la revue Physique de la nature.

Rupture spontanée de symétrie

Le tic-tac d’une horloge est également un exemple de mouvement périodique dans le temps. Cependant, il ne se produit pas tout seul : quelqu’un doit avoir remonté l’horloge et l’avoir démarrée à un moment précis. Ce moment de démarrage détermine ensuite la synchronisation des tic-tac. Il en va différemment avec un cristal temporel :

Selon l’idée de Wilczek, une périodicité devrait apparaître spontanément, bien qu’il n’y ait en réalité aucune différence physique entre différents points dans le temps.

« La fréquence des tics est prédéterminée par les propriétés physiques du système, mais les moments auxquels le tics se produit sont complètement aléatoires ; c’est ce qu’on appelle la brisure spontanée de symétrie », explique le professeur Thomas Pohl de l’Institut de physique théorique de l’Université technique de Vienne.

Pohl était responsable de la partie théorique des travaux de recherche qui ont conduit à la découverte d’un cristal temporel à l’Université Tsinghua en Chine : une lumière laser a été dirigée vers un récipient en verre rempli d’un gaz d’atomes de rubidium. L’intensité du signal lumineux qui arrivait à l’autre extrémité du récipient a été mesurée.

« Il s’agit en fait d’une expérience statique dans laquelle aucun rythme spécifique n’est imposé au système », explique Pohl. « Les interactions entre la lumière et les atomes sont toujours les mêmes, le faisceau laser a une intensité constante. Mais, de manière surprenante, il s’est avéré que l’intensité qui arrive à l’autre extrémité de la cellule de verre commence à osciller selon des schémas très réguliers. »

Des atomes géants

La clé de l’expérience était de préparer les atomes d’une manière particulière : les électrons d’un atome peuvent tourner autour du noyau en suivant des trajectoires différentes, en fonction de leur quantité d’énergie. Si l’on ajoute de l’énergie à l’électron le plus éloigné d’un atome, sa distance par rapport au noyau atomique peut devenir très grande.

Dans les cas extrêmes, il peut se trouver plusieurs centaines de fois plus loin du noyau que d’habitude. On obtient ainsi des atomes dotés d’une couche électronique géante, les atomes de Rydberg.

« Si les atomes de notre récipient en verre sont préparés dans de tels états de Rydberg et que leur diamètre devient énorme, alors les forces entre ces atomes deviennent également très grandes », explique Pohl.

« Et cela modifie à son tour la façon dont ils interagissent avec le laser. Si vous choisissez une lumière laser de telle sorte qu’elle puisse exciter deux états de Rydberg différents dans chaque atome en même temps, alors une boucle de rétroaction est générée qui provoque des oscillations spontanées entre les deux états atomiques. Cela conduit également à une absorption de lumière oscillante. »

D’eux-mêmes, les atomes géants se mettent à battre un rythme régulier, et ce rythme se traduit par le rythme de l’intensité lumineuse qui arrive au bout du récipient en verre.

« Nous avons créé ici un nouveau système qui fournit une plate-forme puissante pour approfondir notre compréhension du phénomène du cristal temporel d’une manière qui se rapproche beaucoup de l’idée originale de Frank Wilczek », explique Pohl.

« Des oscillations précises et auto-entretenues pourraient être utilisées pour des capteurs, par exemple. Des atomes géants avec des états de Rydberg ont déjà été utilisés avec succès pour de telles techniques dans d’autres contextes. »