Des physiciens observent une nouvelle phase temporelle : le cristal temporel 'rondeau'

Des physiciens observent une nouvelle phase temporelle : le cristal temporel « rondeau »

Résumé

Des chercheurs font état de la réalisation expérimentale d'une phase temporelle qu'ils nomment cristal « rondeau ». Le système présente un motif stable et répétable lorsqu'il est échantillonné une fois par cycle de pilotage, tout en permettant un désordre de courte durée, délibérément varié, entre ces points d'échantillonnage. L'expérience a utilisé des spins nucléaires de carbone 13 dans du diamant et des séquences d'impulsions micro-ondes d'ingénierie pour stabiliser le rythme.

Qu'est-ce qu'un cristal temporel ?

Un cristal temporel est une phase hors d'équilibre dans laquelle un système à corps multiples piloté présente un ordre temporel persistant qui brise la symétrie de translation temporelle de l'excitation. Dans ce cas, le cristal rondeau combine une répétition cycle à cycle de longue durée avec une variation intra-cycle contrôlée.

Plateforme et méthodes expérimentales

L'expérience a utilisé une plateforme de simulateur quantique en diamant contenant des défauts azote-lacune (NV) couplés à des spins nucléaires de carbone 13 naturellement présents. Des contrôles optiques et micro-ondes ont été appliqués pour hyperpolariser l'ensemble de carbone 13 et pour lire la dynamique de spin collective avec une haute fidélité.

Les chercheurs ont programmé des séquences de pilotage spécifiques — incluant des structures intra-cycle strictement périodiques, quasi-périodiques et intentionnellement aléatoires — à l'aide d'un générateur de formes d'ondes arbitraires pour contrôler le cadencement et la forme des impulsions micro-ondes. En mesurant la réponse collective des spins sur de nombreux cycles de pilotage, l'équipe a identifié un ordre stroboscopique de longue durée malgré un micromouvement bruité au sein des cycles individuels.

Observations clés

• Lorsqu'elle était observée une fois par cycle de pilotage, la configuration collective des spins se répétait avec une haute fidélité, démontrant un ordre stroboscopique.
• Le désordre introduit au sein de chaque cycle n'a pas détruit le motif répétitif à long terme lorsque les mesures étaient effectuées de manière stroboscopique.
• Les durées de vie stroboscopiques ont dépassé quatre secondes dans certains essais, ce qui correspond à une observation sur plus de cent périodes de pilotage et permet une analyse spectrale de la dynamique.

Importance et applications potentielles

Limites et orientations futures

Cette démonstration est une preuve de concept plutôt qu'une technologie prête à l'emploi. Elle a reposé sur une hyperpolarisation minutieuse, un contrôle micro-onde à faible bruit et une lecture précise. Bien que les temps de cohérence aient été longs pour un ensemble solide à corps multiples à température ambiante, ils restent courts par rapport aux mémoires de qubits d'ingénierie. Les travaux futurs pourraient explorer d'autres matériaux hôtes, des espèces de spins alternatives et une électronique de contrôle améliorée pour prolonger les durées de vie et accroître la sensibilité.

Implications plus larges

Sur le plan conceptuel, le cristal rondeau illustre que la brisure de symétrie temporelle peut supporter une structure stratifiée : un ordre stable à des échelles de temps grossières coexistant avec un désordre délibéré à des échelles plus fines. Cela reflète des phénomènes observés dans les matériaux spatiaux où certains degrés de liberté sont ordonnés tandis que d'autres sont désordonnés, et il suggère de nouvelles façons d'organiser l'information et le comportement cohérent dans les systèmes quantiques pilotés.

Perspectives

L'observation d'un cristal temporel rondeau offre une nouvelle plateforme pour l'étude des phases hors d'équilibre et pour le développement de techniques de contrôle exploitant la structure temporelle. Transformer ces découvertes en outils pratiques de détection ou de traitement de l'information nécessitera d'autres améliorations des matériaux et du contrôle afin d'obtenir des temps de cohérence plus longs et une plus grande robustesse.