Un cristal temporel composé d’atomes géants

Un cristal est un ensemble d’atomes positionnés selon un arrangement qui se répète dans l’espace, à intervalles réguliers : en chaque point, le cristal a exactement le même aspect qu’au point précédent du motif. En 2012, le prix Nobel Frank Wilczek posait une question fascinante : pourrait-il également exister un cristal temporel, un objet doté d’une structure dont le motif se répète non pas dans l’espace, mais dans le temps ? Et serait-il possible qu’un rythme périodique surgisse, même si aucun rythme spécifique n’était imposé au système et que l’interaction entre les particules était totalement indépendante du temps ?

Depuis des années, l’idée de Frank Wilczek suscite de nombreuses controverses. Certains scientifiques ont considéré, surtout au début, que les cristaux temporels étaient impossibles, tandis que d’autres ont tenté de trouver ou de produire des cristaux temporels en recourant à des scénarios dominés par des conditions particulières. Aujourd’hui, à l’Université Tsinghua de Pékin en Chine, avec la collaboration de l’Université de technologie de Vienne (TU Wien) en Autriche, un type de cristal temporel que beaucoup auraient considéré comme impossible il y a quelques années a été créé avec succès.

L’équipe, qui comprenait, entre autres, Xiaoling Wu de l’Université Tsinghua et Thomas Pohl de la TU Wien, a utilisé la lumière laser et des atomes d’un type très spécial, appelés “atomes”, pour construire le nouveau cristal temporel “Rydberg”. diamètre plusieurs centaines de fois plus grand que la normale.

Le tic-tac d’une horloge est également un exemple de mouvement temporel périodique. Cependant, cela ne se produit pas tout seul : quelqu’un doit avoir remonté la montre ou y avoir inséré une pile électrique et l’avoir mise en marche à une certaine heure. Cette heure de début détermine le temps de tic-tac.

Avec un véritable cristal temporel, la situation est très différente : selon l’idée de Wilczek, la périodicité devrait apparaître spontanément, même si en réalité il n’y a pas de différence physique entre les différents moments temporels.

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

En réalité, il s’agit d’une expérience statique dans laquelle aucun rythme spécifique n’est imposé au système. 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 du signal lumineux atteignant l’autre extrémité du récipient en verre commençait à osciller selon des schémas très réguliers.

La clé de l’expérience résidait dans la préparation des atomes d’une manière particulière : les électrons d’un atome peuvent orbiter autour du noyau de différentes manières, en fonction de la quantité d’énergie dont ils disposent. Si de l’énergie est ajoutée à l’électron le plus externe d’un atome, sa distance par rapport au noyau atomique peut devenir très grande. Dans des cas extrêmes, il peut être plusieurs centaines de fois plus éloigné du noyau que d’habitude. De cette manière, des atomes dotés d’une couche électronique géante sont créés, appelés atomes de Rydberg.

Les atomes devenant beaucoup plus gros en raison du phénomène susmentionné, les forces entre ces atomes deviennent également très importantes. Et cela change à son tour la façon dont ils interagissent avec le laser. Si la lumière laser est choisie de manière à pouvoir exciter simultanément deux états de Rydberg différents dans chaque atome, une boucle de rétroaction est générée qui provoque des oscillations spontanées entre les deux états atomiques. Ceci, à son tour, conduit également à l’absorption oscillante de la lumière. ” D’eux-mêmes, les atomes géants trébuchent à un rythme régulier, et ce rythme se traduit par le rythme de l’intensité lumineuse qui atteint l’extrémité du récipient en verre.

Un atome de Rydberg se caractérise par la présence d’un électron beaucoup plus éloigné que la normale du noyau. (Image : TU Vienne)

“Nous avons créé ici un nouveau système qui fournit une plate-forme puissante pour approfondir notre compréhension du phénomène des cristaux temporels d’une manière très proche 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 dotés d’états de Rydberg ont déjà été utilisés avec succès pour de telles techniques dans d’autres contextes.”

Wu, Pohl et leurs collègues présentent les détails techniques de leurs expériences dans la revue universitaire Nature Physics, sous le titre « Cristal temporel dissipatif dans un gaz de Rydberg en interaction forte ». (Fontaine: NCYT de Amazings)