The time 'rondeau' crystal: Scientists observe a new form of temporal order
Le cristal « rondeau » temporel : des scientifiques observent une nouvelle forme d'ordre temporel
Par Tejasri Gururaj, Phys.org
Édité par Lisa Lock, révisé par Robert Egan
Notes de la rédaction
Visualisation artistique d'un « cristal rondeau temporel », où les spins nucléaires de 13 atomes de carbone, excités dans un diamant, présentent à la fois ordre et désordre dans leur réponse temporelle. L'alternance des spins vers le haut et vers le bas représente un ordre périodique de la polarisation de spin, tandis que les points d'interrogation symbolisent des fluctuations désordonnées. Les faisceaux laser verts qui se croisent représentent les lasers utilisés pour hyperpolariser les spins nucléaires de 13 atomes de carbone, et la portée musicale avec une clé de sol évoque le motif du « rondeau », un motif ordonné avec des variations, reflétant l'ordre temporel complexe du cristal. Crédit : Leo Moon et al.
Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Physics, des chercheurs ont réalisé la première observation expérimentale d'un cristal rondeau temporel – une nouvelle phase de la matière où un ordre temporel à longue portée coexiste avec un désordre à court terme.
Nommé d'après la forme musicale classique où un thème répétitif alterne avec des variations contrastées (comme le Rondo alla Turca de Mozart), le cristal de rondeau temporel présente un comportement parfaitement périodique à des instants de mesure précis, tout en affichant des fluctuations aléatoires contrôlables entre ces intervalles.
« Cette recherche s'inspire de la manière dont l'ordre et la variation coexistent dans l'art et la nature », explique Leo Moon, doctorant en troisième année de sciences et technologies appliquées à l'UC Berkeley et co-auteur de l'étude. « Les motifs périodiques répétitifs apparaissent naturellement dans les formes d'art anciennes en raison de leur simplicité, tandis que la musique et la poésie plus complexes développent des variations élaborées sur un fond monotone.»
L'analogie dépasse le cadre de l'esthétique et de l'art. Même des substances familières comme la glace présentent cette dualité : les atomes d'oxygène forment un réseau cristallin tandis que les noyaux d'hydrogène restent disposés de manière aléatoire. De même, les cristaux temporels, découverts au cours de la dernière décennie, brisent la symétrie de translation temporelle en présentant des oscillations périodiques de longue durée.
Cependant, jusqu'à présent, les recherches sur l'ordre temporel non périodique se sont concentrées sur des structures déterministes, comme les quasicristaux. Le cristal de rondeau est le premier à combiner un ordre stroboscopique et un désordre aléatoire contrôlable.
Création d'une nouvelle phase de la matière
Les chercheurs ont utilisé les spins nucléaires du carbone 13 dans le diamant comme simulateur quantique. Le système était constitué de spins nucléaires positionnés aléatoirement à température ambiante, interagissant par des couplages dipôle-dipôle à longue portée.
Les chercheurs ont commencé par hyperpolariser les spins nucléaires du carbone 13 grâce à une technique exploitant les centres azote-lacune (NV), des défauts du diamant où un atome d'azote se trouve à proximité d'un site vacant du réseau cristallin.
Illuminés par un laser, ces centres NV se polarisent en spin, et cette polarisation peut être transférée aux spins nucléaires environnants par des impulsions micro-ondes. Ce processus de 60 secondes a amplifié la polarisation des spins nucléaires près de 1 000 fois au-delà de sa valeur d'équilibre thermique, créant un signal puissant pouvant être suivi pendant de longues périodes.
Par la suite, des séquences d'impulsions micro-ondes sophistiquées ont été appliquées, combinant des impulsions de « verrouillage de spin » protectrices avec des impulsions de renversement de polarisation stratégiquement synchronisées. Ce schéma d'excitation structuré, mais partiellement aléatoire, a permis de créer l'ordre de rondeau.
Les chercheurs ont utilisé un nouveau système de contrôle, qui exploite un générateur de formes d'onde arbitraires doté d'une mémoire de séquences étendue. Ce système pouvait ainsi exécuter plus de 720 impulsions différentes en une seule opération, condition essentielle à la création des excitations structurées, mais non périodiques, qui génèrent l'ordre de rondeau dans le cristal.
Le réseau de diamant à spins nucléaires de carbone-13 constitue un cadre idéal pour explorer ces phases temporelles exotiques, car il combine naturellement stabilité, fortes interactions et facilité de lecture », explique Moon. « Le diamant lui-même est incroyablement stable : il ne réagit pas chimiquement, il est insensible aux variations de température et il protège efficacement les spins des perturbations extérieures. »
Les chercheurs ont utilisé ce qu'ils appellent des dispositifs multipolaires aléatoires (DMA). Il s'agit de séquences structurées où l'aléatoire peut être contrôlé de manière systématique.
À intervalles réguliers durant le cycle de déploiement, les spins nucléaires ont inversé leur polarisation de façon déterministe, présentant le comportement périodique caractéristique des cristaux temporels. Mais à mi-chemin entre ces mesures régulières, la polarisation a fluctué de manière aléatoire, sans aucun motif prévisible. Cette coexistence d'un ordre à longue portée prévisible et de fluctuations aléatoires à court terme est la marque distinctive de l'ordre de rondeau.
Conceptualisation et réalisation expérimentale d'un cristal de rondeau temporel. Crédit : Nature Physics (2025). DOI : 10.1038/s41567-025-03028-y
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La preuve irréfutable
L’équipe a observé que cet ordre de rondeau se maintenait pendant plus de 170 périodes, soit plus de quatre secondes.
La transformée de Fourier discrète de la dynamique a apporté la preuve de cette nouvelle phase. Contrairement aux cristaux temporels discrets conventionnels, qui présentent un pic unique et aigu dans leur spectre de fréquences, le cristal de rondeau temporel a montré une distribution lisse et continue sur l’ensemble des fréquences.
Cette signature irréfutable a confirmé la coexistence de l’ordre et du désordre temporels.
« L’ordre de rondeau montre que l’ordre et le désordre ne sont pas nécessairement opposés ; ils peuvent en réalité coexister dans un système quantique stable et piloté », a déclaré Moon.
Les chercheurs ont réussi à maîtriser le comportement du système. En faisant varier les paramètres d'excitation, ils ont pu établir un diagramme de phase détaillé de la stabilité de l'ordre de rondeau. La durée de vie pouvait être ajustée en modifiant la période d'excitation et les imperfections des impulsions. Les vitesses de chauffage suivaient les lois d'échelle quadratiques et linéaires prévues.
Élargir le champ d'étude
L'équipe a également démontré qu'il était possible d'encoder de l'information dans le désordre temporel.
En concevant des séquences spécifiques d'impulsions d'excitation, ils ont encodé le titre de l'article, « Observation expérimentale d'un cristal de rondeau temporel. Désordre temporel dans l'ordre spatio-temporel », dans la dynamique des micromouvements des spins nucléaires, stockant ainsi plus de 190 caractères.
Autrement dit, l'information est stockée non pas dans l'espace, mais dans le temps, encodée par l'orientation des spins (vers le haut ou vers le bas) à des instants précis de chaque cycle.
« Il n'existe pas encore d'application directe et immédiate, mais l'idée même est fascinante : le désordre au sein d'un système non périodique peut stocker des informations tout en préservant un ordre à long terme », explique Moon. « C'est un peu comme l'analogie entre l'eau et la glace : la glace présente des positions d'oxygène ordonnées mais des liaisons hydrogène désordonnées, et ce désordre local porte des informations structurelles. »
Les chercheurs suggèrent que la possibilité de moduler le désordre pourrait rendre cette plateforme intéressante pour la conception de capteurs quantiques sensibles à des gammes de fréquences spécifiques.
Ces travaux élargissent le champ d'observation de l'ordre temporel hors équilibre au-delà des cristaux temporels conventionnels. En utilisant la même plateforme expérimentale, l'équipe a également démontré des phénomènes similaires avec des systèmes apériodiques déterministes, notamment la suite de Thue-Morse et la suite de Fibonacci, réalisant expérimentalement des cristaux temporels apériodiques et des quasicristaux temporels, en plus de l'ordre de rondeau.
Pour l'avenir, Moon mentionne que l'équipe explore des plateformes de matériaux alternatives au diamant, notamment des cristaux moléculaires dopés au pentacène où les spins nucléaires de l'hydrogène-1 offrent une sensibilité accrue.
« Sur un plan plus appliqué, exploiter le désordre ajustable dans de tels systèmes pourrait ouvrir la voie à des capteurs quantiques ou à des dispositifs de mémoire pratiques qui exploitent la stabilité dans le domaine temporel », a noté Moon.
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RESUME
Le cristal rondeau temporel : des scientifiques observent une nouvelle forme d’ordre temporel
Un cristal rondeau temporel, une nouvelle phase de la matière, présente un ordre temporel à longue portée à intervalles spécifiques, tout en manifestant des fluctuations aléatoires contrôlables entre ces intervalles. Grâce à l’utilisation de spins nucléaires de carbone 13 dans le diamant, cette phase a été réalisée et maintenue pendant plus de 170 cycles. Ce système permet l’encodage d’informations dans le désordre temporel et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications de détection ou de mémoire quantiques.
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COMMENTAIRES
Pour mes élèves : c'est quoi un cristal temporel ?
Réponse :
Un cristal temporel est une structure périodique dans le temps et l'espace. Il étend l'idée de cristal dans la dimension temporelle, autrefois considéré comme impossible. L'inventeir c 'estFrank Wilczek, prix Nobel de physique en 2004.
XXXXXXXXXMore information: Leo Joon Il Moon et al, Experimental observation of a time rondeau crystal, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03028-y
Journal information: Nature Physics
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