Des matériaux cristallins « classiques » comme le sel, le quartz ou encore le diamant sont parmi les arrangements d’atomes les plus réguliers que l’on peut retrouver dans la nature. Leur structure se répète presque parfaitement dans l’espace, formant un motif de base qui se prolonge et se répète de manière périodique, comme une grille. En 2012, Frank Wilczek, physicien américain et prix Nobel, fut le premier à proposer une théorie interloquante : serait-il possible qu’un cristal puisse également répéter le temps ? Une matière dont les éléments se mettent à osciller d’eux-mêmes, en suivant un rythme régulier, comme un métronome : ainsi naquit l’idée du cristal temporel.
Certains y ont vu, à l’époque, une impasse physique, contraire aux principes de la relativité générale d’Einstein, voire une menace pour les lois de la thermodynamique. En effet, comment concevoir un système qui se répète à l’infini sans dissiper d’énergie ? Pourtant, quelques années plus tard, en 2016, une équipe américaine de l’université du Maryland a rapporté qu’elle avait réussi à en créer un. Depuis, plusieurs laboratoires ont confirmé leur existence, mais sous des formes abstraites, accessibles uniquement par des mesures indirectes. Voir un cristal temporel à l’œil nu semblait complètement hors d’atteinte… jusqu’au mois de septembre de cette année.
Le temps pris au piège dans la matière
Le 4 septembre, dans une étude parue dans Nature Materials, menée par Hanqing Zhao et Ivan Smalyukh (Université du Colorado à Boulder), un nouveau cristal temporel a été présenté. Sa particularité, par rapport aux autres, est qu’« il peut être observé directement au microscope et, dans certaines conditions particulières, à l’œil nu », selon les mots de Zhao.
Pour le fabriquer, les chercheurs ont utilisé un matériau plutôt familier : les cristaux liquides, les mêmes qui forment les dalles des écrans LCD. Ces molécules allongées comportent une propriété très intéressante dans ce cadre-là : elles se comportent un peu comme un liquide, en bougeant librement, mais gardent aussi la capacité de s’aligner comme un cristal.
Ils les ont ensuite placées entre deux plaques de verre recouvertes d’un colorant sensible à la lumière, et les ont éclairées à l’aide d’un faisceau, ce qui a exercé une contrainte sur ces cristaux. Sous cette pression, les molécules se sont mises à se réorganiser d’elles-mêmes, créant des sortes de vagues internes. Celles-ci se propagent et s’auto-entretiennent, générant un motif se propageant dans l’espace et dans le temps. Lorsqu’on les regarde au microscope (voir vidéo-ci dessous), elles apparaissent comme des bandes fluorescentes défilant à un rythme régulier.
Les cristaux temporels, futurs alliés de nos technologies ?
Si l’existence de tels cristaux et de leur utilité peut sembler assez obscur aux yeux des mortels, il n’en est rien ; ils trouveront peut-être un jour des applications concrètes. Comme ces cristaux créent des motifs se répétant dans le temps, ces derniers pourraient servir de « codes temporels », impossibles à copier. Une propriété qui serait fortement utile pour lutter contre la contrefaçon, pour les billets de banque ou les produits de luxe par exemple.
Ils pourraient aussi être utilisés pour mieux contrôler la lumière, et donc améliorer certains systèmes de fibre optiques ou réseaux de télécommunication. Malgré toutes nos avancées en informatique quantique, nous peinons toujours à maintenir la stabilité des qubits, les unités de calcul de base, qui perdent rapidement toute cohérence et introduisent des erreurs dans les calculs. Un cristal temporel, en retrouvant toujours la même organisation interne, aiderait à stocker et à traiter l’information de façon plus fiable.
Le cristal de Zhao et de Smalyukh remplit bien tous les critères pour qu’on le considère comme un réel cristal temporel, mais les deux chercheurs anticipent déjà que le concept se ramifiera à l’avenir. La diversité des systèmes et des matériaux à tester est telle qu’il est possible que de nouveaux comportements dans la matière apparaissent un jour. C’est un champ de recherche encore très balbutiant, dont les premières bases viennent d’être posées ; il reste donc largement inexploré et il est fort probable qu’il s’avère bien plus fécond que prévu. Peut-être même davantage que ce que ne l’avait imaginé Wilczek en 2012, lorsqu’il présenta pour la première fois l’idée d’un tel cristal dans la revue Physical Review Letters.
- Des chercheurs du Colorado ont créé un cristal temporel visible à l’œil nu à partir de cristaux liquides.
- Ses motifs qui se répètent dans le temps pourraient servir à sécuriser des objets, stabiliser les réseaux optiques et fiabiliser les qubits.
- Ce domaine encore naissant pourrait dépasser largement les prévisions initiales de son premier théoricien en 2012.
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