Depuis quelques années, la physique quantique met en lumière une étrange forme de matière : les cristaux temporels. Contrairement aux cristaux ordinaires, qui possèdent une structure répétitive dans l’espace, ces cristaux d’un genre inédit évoluent selon un cycle qui se répète dans le temps, sans apport d’énergie extérieure. Un phénomène qui semble défier les lois de la physique classique. Mais une équipe de chercheurs de l’Université Washington de Saint-Louis et du MIT vient d’aller encore plus loin en découvrant un nouveau type de cristal temporel, encore plus fascinant : le quasi-cristal temporel. Cette avancée pourrait permettre de mieux comprendre certains mystères de la mécanique quantique et ouvrir la voie à des technologies inédites.
Qu’est-ce qu’un cristal classique ?
Dans notre monde quotidien, un cristal est un solide dont les atomes sont disposés selon un motif périodique dans l’espace. C’est cette organisation ordonnée qui donne naissance aux magnifiques structures des diamants, du quartz ou du sel.
La répétition régulière des atomes confère aux cristaux des propriétés remarquables : ils peuvent diffracter la lumière, conduire l’électricité d’une manière spécifique ou encore stocker des informations à l’échelle atomique. Cette notion d’ordre régulier dans l’espace est fondamentale en science des matériaux.
Un cristal qui évolue dans le temps
Cela étant dit, en 2012, le physicien Frank Wilczek proposa une idée audacieuse : et si, au lieu d’un motif qui se répète dans l’espace, il existait une structure capable de se répéter… dans le temps ? Un cristal temporel serait alors une forme exotique de matière oscillant spontanément à intervalles réguliers sans consommer d’énergie. En d’autres termes, il suivrait un cycle de mouvement perpétuel, comme une horloge qui fonctionnerait sans jamais avoir besoin d’être remontée.
En 2016, des chercheurs sont finalement parvenus à créer expérimentalement un premier cristal temporel, confirmant que cette phase de la matière existe réellement. Depuis, plusieurs études ont perfectionné cette technologie, avec des applications potentielles en informatique quantique et en métrologie.
Une découverte qui change la donne
Jusqu’ici, les cristaux temporels fonctionnaient selon un schéma répétitif fixe, oscillant à une fréquence précise et régulière. Mais la récente découverte de l’équipe du MIT va plus loin : ils ont créé un quasi-cristal temporel, une structure encore plus inhabituelle.
Contrairement aux cristaux temporels classiques, un quasi-cristal temporel ne suit pas une répétition stricte. Son cycle évolue légèrement à chaque oscillation, sans jamais se répéter exactement à l’identique.
Pour réaliser cet exploit, rapporté dans la revue Physical Review X, les chercheurs ont utilisé un minuscule morceau de diamant, qu’ils ont bombardé de faisceaux d’azote afin de créer des espaces vides dans sa structure atomique. Ces vides ont ensuite interagi avec des électrons libres sous l’effet de micro-ondes, déclenchant un rythme oscillatoire unique.
Quelles applications potentielles ?
La découverte des quasi-cristaux temporels ne se limite pas à une simple curiosité scientifique. Elle pourrait avoir des implications profondes dans plusieurs domaines, notamment la physique quantique, l’informatique et la technologie des capteurs.
Les cristaux temporels classiques ont déjà permis d’explorer des concepts fondamentaux de la mécanique quantique, mais les quasi-cristaux temporels ajoutent une nouvelle dimension à ces recherches. Leur structure non périodique dans le temps pourrait permettre de mieux comprendre les interactions complexes entre particules quantiques et ouvrir la voie à de nouvelles théories sur l’organisation de la matière.
Des applications dans le domaine de l’informatique quantique sont également envisageables, où l’un des principaux défis est la conservation de l’information dans le temps. Les quasi-cristaux temporels, grâce à leur stabilité dans un environnement chaotique, pourraient alors servir à stocker des données quantiques sur de plus longues périodes, améliorant ainsi la fiabilité des ordinateurs quantiques.
En outre, nous savons que les cristaux temporels sont extrêmement sensibles aux perturbations de leur environnement, ce qui en fait d’excellents candidats pour le développement de capteurs quantiques de haute précision. En détectant avec une extrême précision les variations de champ magnétique ou de température, ces capteurs pourraient révolutionner des domaines allant de la médecine à l’exploration spatiale.
Bien que nous soyons encore aux prémices de ces recherches, les perspectives offertes par les quasi-cristaux temporels sont donc prometteuses. Leur comportement unique pourrait non seulement enrichir notre compréhension de l’univers quantique, mais aussi déboucher sur des avancées technologiques majeures dans les années à venir.
