Peut-on créer de vrais cristaux temporels ? Des scientifiques ont peut-être une solution... théorique

Les cristaux temporels ajoutent une dimension temporelle à l’asymétrie physique des cristaux. Le théorème no-go semble empêcher leur existence autonome... sauf que des scientifiques ont une solution.

Oui, les cristaux temporels existent plus ou moins. Mais non, ils ne vous permettront pas de voyager dans le temps. Le concept a été découvert récemment, puisque sa première théorisation remonte à 2012 par le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Pour le dire simplement, une dimension temporelle est ajoutée au cristal en plus de sa dimension spatiale. Une étude parue dans Physical Review Letters le 20 novembre 2019 présente un nouveau type de cristal temporel. Mais avant, pour vraiment comprendre la portée de cette proposition, commençons par détailler un peu plus cet étrange objet de la physique.

Revenons d’abord sur ce qu’est un cristal. Deux caractéristiques importantes sont à retenir ici. La première : un cristal basique a une structure dont les atomes forment différents motifs réguliers se répétant dans l’espace. La seconde : il est asymétrique. Ces deux éléments sont liés et cruciaux. La physique est gouvernée par la symétrie, c’est-à-dire une invariance de la matière, où que l’on soit dans l’espace. Si vous prenez un verre d’eau, alors la matière est liquide et n’importe quelle goutte présentera la même structure peu importe le point de vue porté sur elle.

Par contre, lorsque l’eau se cristallise en gelant, la symétrie se brise spontanément. Les atomes se fixent sous la forme de motifs réguliers, répétitifs, allant dans une direction ou dans une autre selon le motif. La structure sera différente selon le point où l’on se trouve au sein du cristal, c’est pour cela que l’on considère la symétrie brisée.

Le physicien Frank Wilczek s’est demandé si l’on ne pourrait pas aussi briser la symétrie dans la dimension temporelle. Au sein d’un cristal temporel, les atomes oscillent dans une direction puis dans une autre, périodiquement, à une fréquence régulière. Ils se comportent tout simplement comme le « tic tac » d’une horloge. Les motifs des atomes au sein d’un cristal temporel relèvent d’une asymétrie temporelle, ils se répètent donc à la fois dans l’espace et le temps, tel un métronome perpétuel.

Ces cristaux très spéciaux peuvent être créés par une action extérieure : un bombardement laser. Des chercheurs ont réussi, grâce à cette technique, à créer des cristaux temporels pour la première fois en 2017. Ils sont passés de la théorie à la pratique, en observant une nouvelle phase de la matière. Le résultat est cependant imparfait : à partir du moment où il faut des impulsions, ce n’est plus vraiment un mouvement perpétuel.

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Comment des particules intriquées contourneraient le théorème no-go

Alors, un « vrai » cristal temporel peut-il exister, sans bombardement laser ? Le concept a fait l’objet d’un débat houleux dans la communauté scientifique. Dès sa théorisation en 2012, des scientifiques ont objecté que de tels cristaux relèveraient du théorème no-go, à savoir qu’ils seraient dans un état de la matière tout bonnement impossible. À partir de l’expérience de 2017, on pensait que la seule exception au théorème, permettant l’existence d’un cristal temporel, était la stimulation extérieure. Sauf que les physiciens Valerii Kozin et Oleksandr Kyriienko indiquent avoir trouvé comment créer un cristal temporel entièrement autonome.

Les deux scientifiques exploitent une autre exception potentielle au théorème no-go : la relation de particules soumises à l’intrication quantique ne s’affaiblit pas lorsqu’elles s’éloignent. Ce n’est pas l’état naturel de la matière, car normalement, deux atomes à l’autre bout l’un de l’autre n’ont aucune raison pour interagir entre eux. Mais quand ils sont intriqués, là, oui, ils peuvent avoir une influence commune. Valerii Kozin et Oleksandr Kyriienko expliquent alors qu’en cas d’intrication, les atomes du cristal partageront des liens quantiques distants et constants. Leur interaction produirait le « tic tac » attendu, de manière perpétuelle, sans qu’il soit généré par une intervention régulière comme un bombardement laser.

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La proposition est intéressante et ne violerait pas forcément les lois de la physique, puisqu’elle se repose sur une exception possible au théorème no-go. En revanche, intriquer des particules en laboratoire de cette façon n’est pas une mince affaire. Nous voilà face à la terrible confrontation entre la physique théorique et sa mise en pratique : l’idée peut être parfaitement cohérente sur le papier compte-tenu des paramètres physiques et mathématiques, tout en étant irréalisable en soi. Mais les scientifiques ne sont pas prêts de renoncer à chercher des solutions. Les cristaux temporels pourraient trouver des utilités révolutionnaires en informatique quantique (voire, évidemment, en horlogerie).