Physiciens créent un nouveau type de cristal de temps que les humains peuvent réellement voir

5 septembre 2025

par Daniel Strain, Université du Colorado à Boulder

édité par Lisa Lock, examiené par Robert Egan

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Imaginez une horloge qui n'a pas besoin d'électricité, mais dont les aiguilles et les engrenages tournent indéfiniment. Dans une nouvelle étude, des physiciens de l'Université du Colorado à Boulder ont utilisé des cristaux liquides, les mêmes matériaux que ceux présents dans l'écran de votre téléphone, pour créer une telle horloge, ou du moins s'en approcher autant que possible. L'avancée de l'équipe est un nouvel exemple de 'cristal de temps'. C'est le nom d'une phase curieuse de la matière dans laquelle les éléments, tels que les atomes ou autres particules, sont en mouvement constant.

Les chercheurs ne sont pas les premiers à créer un cristal de temps, mais leur création est la première que les humains peuvent réellement voir, ouvrant ainsi la voie à une multitude d'applications technologiques.

'Ils peuvent être observés directement sous un microscope et même, dans des conditions spéciales, à l'œil nu', a déclaré Hanqing Zhao, auteur principal de l'étude et étudiant diplômé au Département de Physique de l'Université du Colorado à Boulder.

Lui et Ivan Smalyukh, professeur de physique et membre de l'Institut de l'Énergie Renouvelable et Durable (RASEI), ont publié leurs résultats le 4 septembre dans la revue Nature Materials.

Dans l'étude, les chercheurs ont conçu des cellules de verre remplies de cristaux liquides - dans ce cas, des molécules en forme de tige qui se comportent un peu comme un solide et un peu comme un liquide. Dans des circonstances spéciales, si vous éclairez ces cristaux liquides, ils commenceront à tourbillonner et à bouger, suivant des motifs qui se répètent dans le temps.

Sous un microscope, ces échantillons de cristaux liquides ressemblent à des rayures de tigre psychédéliques, et ils peuvent continuer à bouger pendant des heures, tout comme cette horloge qui tourne éternellement.

'Tout naît de rien', a déclaré Smalyukh. 'Il suffit de mettre une lumière, et tout ce monde de cristaux de temps émerge.'

Zhao et Smalyukh font partie du satellite du Colorado de l'Institut International pour la Durabilité avec Matière Métamatérial Chirale Nouée (WPI-SKCM2) dont le siège est à l'Université d'Hiroshima au Japon, un institut international dont la mission est de créer des formes artificielles de matière et de contribuer à la durabilité.

Les cristaux de temps peuvent sembler sortir de la science-fiction, mais ils s'inspirent des cristaux naturels, tels que le diamant ou le sel de table.

Le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a proposé l'idée des cristaux de temps en 2012. Vous pouvez penser aux cristaux traditionnels comme des 'cristaux d'espace'. Les atomes de carbone qui constituent un diamant, par exemple, forment un motif de réseau dans l'espace qu'il est très difficile de briser.

Wilczek s'est demandé s'il serait possible de construire un cristal aussi bien organisé, mais dans le temps plutôt que dans l'espace. Même à l'état de repos, les atomes dans un tel état ne formeraient pas un motif de réseau, mais se déplaceraient ou se transformeraient dans un cycle sans fin, comme une image GIF qui boucle à l'infini.

Le concept original de Wilczek s'est avéré impossible à réaliser, mais, au fil des ans, les scientifiques ont créé des phases de la matière qui s'en rapprochent raisonnablement.

En 2021, par exemple, des physiciens ont utilisé l'ordinateur quantique Sycamore de Google pour créer un réseau spécial d'atomes. Lorsque l'équipe a stimulé ces atomes avec un faisceau laser, ils ont subi des fluctuations qui se sont répétées plusieurs fois.

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Dans la nouvelle étude, Zhao et Smalyukh ont cherché à voir s'ils pouvaient réaliser un exploit similaire avec des cristaux liquides.

Smalyukh a expliqué que si vous appuyez sur ces molécules de la bonne manière, elles se regroupent si étroitement qu'elles forment des plis. De manière remarquable, ces plis se déplacent et peuvent même, dans certaines conditions, se comporter comme des atomes.

'Vous avez ces torsions, et vous ne pouvez pas facilement les supprimer', a déclaré Smalyukh. 'Elles se comportent comme des particules et commencent à interagir les unes avec les autres.'

Dans l'étude actuelle, Smalyukh et Zhao ont placé une solution de cristaux liquides entre deux morceaux de verre recouverts de molécules de colorant. Seuls, ces échantillons restaient majoritairement immobiles. Mais lorsque le groupe les a illuminés avec un certain type de lumière, les molécules de colorant ont changé d'orientation et ont comprimé les cristaux liquides. Au cours de ce processus, des milliers de nouveaux plis se sont soudainement formés.

Ces vrilles ont également commencé à interagir les unes avec les autres suivant une série incroyablement complexe d'étapes. Pensez à une pièce remplie de danseurs dans un roman de Jane Austen. Les couples se séparent, tournent autour de la pièce, se retrouvent, et recommencent. Les motifs dans le temps étaient également étonnamment difficiles à briser - les chercheurs pouvaient augmenter ou réduire la température de leurs échantillons sans perturber le mouvement des cristaux liquides.

"C'est la beauté de ce cristal temporel", a déclaré Smalyukh. "Il suffit de créer des conditions qui ne sont pas si spéciales. Vous allumez une lumière et tout se produit."

Zhao et Smalyukh affirment que de tels cristaux temporels pourraient avoir plusieurs utilisations. Les gouvernements pourraient, par exemple, ajouter ces matériaux aux billets pour les rendre plus difficiles à contrefaire - si vous voulez savoir si ce billet de 100 $ est authentique, il vous suffit de faire briller une lumière sur le 'filigrane temporel' et d'observer le motif qui apparaît. En empilant plusieurs cristaux temporels différents, le groupe peut créer des motifs encore plus complexes, ce qui pourrait potentiellement permettre aux ingénieurs de stocker de vastes quantités de données numériques.

"Nous ne voulons pas imposer de limites aux applications pour le moment", a déclaré Smalyukh. "Je pense qu'il y a des opportunités pour faire évoluer cette technologie dans toutes sortes de directions."

Plus d'informations: Hanqing Zhao et al, Space-time crystals from particle-like topological solitons, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02344-1

Informations du journal: Nature Materials

Fourni par l'Université du Colorado à Boulder