Des scientifiques créent des cristaux temporels… qui flottent dans vos mains !

Une curiosité quantique devenue réalité tangible

L’année dernière, le monde de la physique a franchi une étape symbolique lorsque des chercheurs ont réussi à créer un cristal temporel visible à l’œil nu. Ces arrangements atomiques, caractérisés par la répétition de motifs de mouvement, quittaient ainsi le domaine de l’abstraction pure. Cependant, les travaux les plus récents sur cette excentricité quantique pourraient bien représenter bien plus que quelques simples pas en avant pour la communauté scientifique.

Décrit dans un article récent de la revue Physical Review Letters, ce nouveau type de cristal temporel présente des caractéristiques surprenantes : il est suffisamment grand pour être tenu dans la main et, fait notable, il lévite. Cette découverte est le fruit du travail d’une équipe de physiciens de l’Université de New York (NYU). Leur dispositif repose sur des perles ressemblant à du polystyrène, maintenues en lévitation sur un coussin sonore tout en échangeant des ondes acoustiques.

David G. Grier, auteur principal de l’étude et physicien à la NYU, souligne l’importance de cette avancée pour Gizmodo. Il déclare : « C’était une découverte au sens le plus pur du terme. La chose la plus remarquable est peut-être qu’un comportement aussi riche et intéressant émerge d’un système aussi simple. » L’équipe estime que ce cristal, qui semble défier la physique newtonienne, revêt une double importance, à la fois académique et pratique.

Du polystyrène en lévitation acoustique

Ce cristal temporel nouvellement découvert pourrait marquer des progrès considérables quant à la pertinence pratique de ces systèmes. L’élément central de l’expérience est étonnamment banal : la bille utilisée est en polystyrène expansé, le même matériau que celui employé couramment pour l’emballage. L’équipe a transformé cette matière ordinaire en un cristal temporel en suspendant les billes de polystyrène dans des ondes sonores.

Le dispositif expérimental se compose d’un cadre imprimé en 3D d’environ quinze centimètres de hauteur, équipé de haut-parleurs circulaires noirs. C’est de ces haut-parleurs que proviennent les ondes sonores permettant la lévitation. Lorsqu’une bille est isolée, elle flotte sans mouvement. La situation change radicalement dès que plusieurs billes lévitent ensemble, créant une dynamique nouvelle.

Dans ce système, chaque bille diffuse sa propre part d’ondes sonores. Cela contribue à un système global « d’interactions déséquilibrées » qui permet essentiellement aux particules de récolter et de fournir de l’énergie à partir des ondes sonores, comme l’a expliqué David G. Grier. Il précise le mécanisme fondamental : « Le point clé est que les cristaux temporels sélectionnent leur propre fréquence sans qu’aucune force extérieure ne leur dise quoi faire. »

Retour sur le concept de cristal temporel

Pour comprendre la portée de cette expérience, il faut remonter à 2012, lorsque le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a lancé l’idée d’un cristal impossible qui briserait les règles de la symétrie en physique. En temps normal, les cristaux solides maintiennent un réseau continu de leurs composants respectifs. Les cristaux temporels, en revanche, font exactement l’inverse : les atomes individuels à l’intérieur changent de position au fil du temps selon un schéma relativement défini.

Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont réussi à trouver diverses versions de la vision de Wilczek. Toutefois, ces instances concernaient principalement des cristaux temporels microscopiques, à court terme et ayant peu d’implications pratiques. Ces recherches restaient donc confinées à des échelles difficilement observables sans équipement de pointe.

Ce n’est que l’année dernière qu’une équipe de l’Université du Colorado à Boulder a proposé une conception de cristal temporel que nous pouvons réellement voir. La découverte de l’équipe de la NYU s’inscrit donc dans cette continuité, cherchant à rendre le phénomène non seulement visible, mais aussi manipulable et potentiellement utile.

Une violation des lois de Newton

L’aspect le plus étrange de ce système réside dans le fait que ces interactions ne sont pas liées à la troisième loi du mouvement de Newton. Cette loi dicte traditionnellement que deux corps exerçant une force l’un sur l’autre doivent exercer la même quantité de force dans des directions opposées. Or, le cristal temporel de la NYU s’affranchit de cette contrainte fondamentale.

Pour illustrer ce phénomène complexe, Mia Morrell, auteure principale de l’étude et étudiante diplômée à la NYU, utilise une analogie maritime dans un communiqué de l’université : « Pensez à deux ferries de tailles différentes approchant d’un quai. Chacun produit des vagues qui poussent l’autre — mais à des degrés différents, selon leur taille. »

Cette absence de symétrie dans les forces exercées permet au système de s’auto-organiser d’une manière qui défie l’intuition classique. C’est précisément cette violation des règles habituelles de la mécanique qui confère au nouveau cristal sa signification académique particulière et ouvre la porte à des comportements physiques inédits.

L’atome d’hydrogène des cristaux temporels

Selon David G. Grier, la simplicité pure de cette configuration de cristal temporel en fait potentiellement l’« atome d’hydrogène » de ce phénomène. Une image en stop-motion réalisée par le centre de recherche montre des paires de billes à l’échelle millimétrique formant un cristal temporel sur environ un tiers de seconde, où les couleurs représentent les billes interagissant à différents stades durant cette période.

Cette simplicité met en lumière son potentiel à travers d’autres contextes très variés. Les chercheurs envisagent des applications allant des « stimulateurs neuronaux dans nos cœurs aux tendances cycliques des marchés financiers ». Le modèle réduit permettrait ainsi de comprendre des systèmes beaucoup plus vastes.

David G. Grier conclut sur l’ambition portée par cette découverte : « Nous espérons que l’étude d’un modèle minimal donnera accès aux connaissances les plus profondes sur l’émergence spontanée d’horloges dans des manifestations plus générales et plus complexes. »

Créé par des humains, assisté par IA.