Un système quantique présentant un mouvement périodique dans son état fondamental, résistant aux perturbations environnementales.Un cristal temporel est une phase de la matière où les atomes présentent un mouvement périodique dans leur état fondamental — l'état de plus basse énergie du système. Contrairement aux cristaux ordinaires, qui ont des motifs répétitifs dans l'espace, les cristaux temporels se répètent dans le temps, «tictaquant» pour toujours sans aucun apport d'énergie externe. Cela contredit notre intuition quotidienne selon laquelle le mouvement perpétuel est impossible, mais la mécanique quantique le permet parce que le système est dans son état fondamental, il ne peut donc pas perdre d'énergie. Les cristaux temporels sont un nouvel état de la matière qui remet en question notre compréhension de l'équilibre et de la brisure de symétrie.
Frank Wilczek a proposé le concept de cristal temporel pour la première fois en 2012. La première réalisation expérimentale a été rapportée en 2016 par deux groupes indépendants (dirigés par Christopher Monroe à l'Université du Maryland et Mikhail Lukin à Harvard), utilisant respectivement des chaînes d'ions piégés et des centres azote-lacune dans le diamant.
Dans un cristal normal, les atomes s'organisent selon un motif spatial répétitif, brisant la symétrie de l'espace. Un cristal temporel brise la symétrie du temps : les propriétés du système oscillent avec une période qui est un multiple de la période d'excitation. Cela est réalisé en «frappant» périodiquement le système (par exemple, avec des impulsions laser) de manière à ce que les atomes répondent à une fréquence différente et stable. Le point clé est que cette oscillation est protégée par des interactions à plusieurs corps — les atomes se verrouillent collectivement dans un rythme robuste contre les perturbations, même si le système est dans son état fondamental.
Les cristaux temporels sont explorés comme oscillateurs ultra-stables pour la mesure précise du temps et comme composants pour les capteurs quantiques. Ils pourraient également servir de plateforme pour étudier les phases quantiques hors équilibre et potentiellement pour le stockage de mémoire quantique.
L'oscillation d'un cristal temporel est si stable qu'elle peut servir d'«horloge quantique» qui ne perdrait qu'une seconde en environ 10 milliards d'années — bien plus précise que les meilleures horloges atomiques actuelles.
