Première réalisation expérimentale d’un cristal à temps dispersé

Un cristal temporel est une phase unique et particulière de la matière qui a été prédite pour la première fois par le physicien américain Frank Wilczek en 2012. Les cristaux temporels sont des analogues temporels des cristaux spatiaux traditionnels, tous deux basés sur des structures caractérisées par des motifs récurrents.

Plutôt que de former des motifs répétitifs dans l’espace tridimensionnel (3D), comme le font les cristaux spatiaux, les cristaux temporels présentent des changements au fil du temps dans un motif spécifique. Alors que certaines équipes de recherche ont pu réaliser ces phases particulières de la matière, jusqu’à présent, ces réalisations n’ont été réalisées qu’en utilisant des systèmes fermés. Cela a soulevé la question de savoir si des cristaux temporels pouvaient également être obtenus dans des systèmes ouverts, en présence de dissipation et de décohérence.

Des chercheurs de l’Institut de physique des lasers de l’Université de Hambourg ont récemment découvert pour la première fois un cristal temporel dans un système quantique ouvert. Leur article a été publié en messages d’examen physique, pourrait avoir des implications importantes pour l’étude des phases exotiques de la matière dans les systèmes quantiques.

« L’objectif principal de notre recherche est d’étudier les phases dynamiques de la matière, connues sous le nom de comment ses propriétés changent au fil du temps de manière ordonnée », a déclaré Hans Kessler, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Au cours de mes études de doctorat, mes collègues et moi avons étudié la transition de phase d’un BEC homogène à une autophase superradiative, et nous étudiions comment le système interagit lors de la trempe d’un état stable à un autre. »

Étant donné qu’aucun état physique n’est intrinsèquement stationnaire, la prochaine étape des recherches précédentes de Kessler et de ses collègues consistait à étudier les phases dynamiques de la matière. Ce sont essentiellement des transitions par lesquelles les matériaux changent leurs propriétés au fil du temps.

L’objectif principal de l’étude récente des chercheurs était d’obtenir un cristal temporel dispersé dans un environnement de laboratoire. Pour ce faire, ils ont utilisé un système quantique multicorps fortement couplé à une bande étroite Lumière optique.

« Il était essentiel pour nos expériences que le champ lumineux à l’intérieur du résonateur et l’intensité du système multi-corps évoluent de la même manière, ce qui est donné par la bande passante de la cavité et la fréquence correspondant au rebond de photon individuel, respectivement », a expliqué Kessler. « Ce mode est unique dans notre système de cavité atomique et ouvre la possibilité d’étudier les phases dynamiques de la matière. »

Étant donné que les systèmes physiques réels ne sont pas complètement isolés de leur environnement, ils sont sujets à la dissipation (c’est-à-dire à la perte ou au gaspillage d’énergie). Cela rend difficile, voire impossible, la réalisation de systèmes quantiques véritablement fermés pour des périodes de temps aléatoires. C’est ce qui a finalement inspiré Kessler et ses collègues à essayer de réaliser à la place un cristal temporel dans un système quantique ouvert.

« Jusqu’à présent, les cristaux temporels qui ont été montrés dans différentes combinaisons ont nécessité un isolement soigneux de l’environnement, car la dissipation a un effet indésirable » de « dissolution » des cristaux temporels, a déclaré Kessler. « La particularité du cristal temporel dans notre configuration de cavité atomique est son rôle positif dans la prévention de la dissipation, aidant à stabiliser la dynamique du système. Démontrer ainsi l’arrangement du cristal temporel dans un système ouvert est la réalisation la plus importante de notre étude. « 

La dernière étude de cette équipe de chercheurs fournit des preuves solides qu’un cristal à temps discret peut exister dans un système de cavité atomique ouvert et entraîné. Keßler et ses collègues essaient maintenant de réaliser un cristal temporel continu en utilisant le même système atome-cavité qu’ils ont utilisé dans leurs travaux récents.

La principale différence entre le cristal temporel dissipatif continu et le cristal temporel dissipatif discret réalisé dans le cadre de leur étude récente est que le premier oscille même en l’absence d’un entraînement temporel cyclique. À la suite de cette oscillation, le nouveau cristal qu’ils recherchent brise automatiquement une symétrie continue en translation temporelle.

« Comme nous l’avons proposé pour le scénario décrit dans notre article récent, notre système de cavité atomique se transformerait en un état de la matière caractérisé par des oscillations périodiques à certaines fréquences intrinsèques », a ajouté Kessler. « La phase relative des oscillations dans un tel cristal temporel devrait prendre n’importe quelle valeur entre 0 et 2 dpi. Ceci est très différent des oscillations discrètes. cristaux de temps, où la phase relative peut être 0 ou pi. D’une certaine manière, le cristal à temps continu est plus proche du cristal solide en ce sens qu’ils brisent tous deux la symétrie continue.

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