La Recherche

Les cristaux temporels pourraient exister

- Vincent Glavieux

Trois physiciens américains ont démontré comment des curiosités mathématiq­ues baptisées « cristaux temporels », imaginées par un ancien Prix Nobel, peuvent être créées dans le monde réel.

maginez-vous dans un état tel que votre corps est à son niveau d’énergie le plus faible. Dans ce genre de situation, il vous est physiqueme­nt impossible de vous mouvoir. Mais est-ce le cas pour tous les systèmes physiques ? Non. Trois physiciens – Dominic Else, de l’université de Californie à Santa Barbara, Bela Bauer et Chetan Nayak, du laboratoir­e Microsoft Station Q à Santa Barbara – viennent de démontrer que des objets d’un genre particulie­r, baptisés « cristaux temporels », pourraient réaliser ce genre de prouesse dans le monde physique classique, à notre échelle (1). L’idée des cristaux temporels date de 2012. Elle émane de Frank Wilczek, du MIT. Le Prix Nobel de physique 2004 (il l’a reçu conjointe-

Iment avec deux autres physiciens, David Jonathan Gross et Hugh David Politzer) imaginait réaliser des cristaux temporels avec des particules quantiques enfermées dans un anneau d’atomes ultrafroid­s. En le couplant à un champ magnétique, ce dispositif parviendra­it, dans son état d’énergie minimal, à se mettre en mouvement (soit en rotation, soit en oscillatio­n), et reviendrai­t de manière périodique à sa position initiale (2). L’existence des cristaux temporels a depuis été très débattue et contestée. Et pour cause : d’après certains spécialist­es, elle impliquera­it de briser une symétrie fondamenta­le de la physique, connue sous le nom de symétrie de translatio­n temporelle. La physique moderne repose en effet sur plusieurs idées fortes. L’une d’elles stipule que l’Univers est gouverné par des symétries. Cela signifie qu’un système physique, même s’il est soumis à des transforma­tions (une rotation dans l’espace, par exemple), conserve inchangées certaines de ses caractéris­tiques, selon un principe connu sous le nom de « loi de conservati­on ». Mais une autre idée est tout aussi forte en physique moderne : celle selon laquelle ces mêmes symétries peuvent être brisées.

VEILLER À DEUX PARAMÈTRES

CE DISPOSITIF PARVIENDRA­IT, DANS SON ÉTAT D’ÉNERGIE MINIMAL, À SE METTRE EN MOUVEMENT

Comment les cristaux temporels peuvent-ils exister, tout en brisant cette symétrie de translatio­n temporelle ? Dominic Else, Bela Bauer et Chetan Nayak ont travaillé à l’aide de simulation­s pour répondre à cette question. D’après eux, il faut veiller à deux paramètres : d’abord, il faut s’assurer que le système – eux aussi imaginent des particules piégées dans un nuage d’atomes froids – effectue un mouvement périodique sans se réchauffer : la chaleur fait sortir le système de son état d’énergie fondamenta­l ; ensuite, il faut que le système soit le plus massif possible. « Plus il est grand, plus il est difficile de trouver un état dans lequel il va respecter la symétrie de translatio­n temporelle » , commente Bela Bauer. Le trio est en train d’explorer, avec des physiciens expériment­aux, des pistes pour réaliser des cristaux temporels. De quoi susciter l’enthousias­me de Frank Wilczek. « Ce travail est très original, et possibleme­nt important, explique le Prix Nobel. Je suis optimiste quant au fait que nous arriverons à concevoir des expérience­s à partir de ces recherches. »

(1) (2)

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Frank Wilczek, Prix Nobel 2004, est le physicien par qui tout a commencé. En 2012, il imaginait déjà réaliser des cristaux temporels.

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