У січні 2024 року фізики з Дортмундського університету показали, що кристал із постійним часом може залишатися всередині напівпровідника, а його коливання залишаються стабільними протягом годин. Тепер у новому дослідженніСпілкування природиПрофесор Алекс Грейліч і його колеги виявили, що в одному матеріалі можуть утворюватися кілька кристалів і синхронізувати свої електронні та ядерні обертові коливання.
Кристали часу — це незвичайні фізичні системи, внутрішня поведінка яких повторюється з часом із регулярним ритмом, навіть якщо вони не керуються повторюваним зовнішнім сигналом.
В експериментах ТУ Дортмунд кристали часу утворюються всередині напівпровідника з арсеніду галію з невеликою кількістю індію та кремнію. Ці додані елементи створюють локалізовані електрони всередині матеріалу. При температурах, близьких до -270 °C, кожен електрон взаємодіє приблизно з мільйоном найближчих ядерних спінів.
Щоб розпочати процес, дослідники використовують лазер накачування, щоб вирівняти спіни електронів. Потім електрони передають свою поляризацію навколишнім ядерним спінам. Коли прикладається слабке магнітне поле, поляризація цих ядерних спінів починає обертатися.
Зв’язок між спінами електронів і спінами ядер продовжує коливатися. Другий лазер дозволяє дослідникам відстежувати ці коливання з часом.
Окремі гірки вписуються в гармонію
Різні області напівпровідників не зовсім однакові на мікроскопічному рівні. Через ці місцеві варіації кристали синхронізації, які утворюються в окремих регіонах, як правило, мають дещо різні частоти.
Це змінюється, коли дослідники висвітлюють багато областей одночасно широким лазерним променем. За цих умов окремі вібрації можуть бути заблоковані разом і почати працювати на одній частоті.
Цей ефект нагадує спостереження, зроблене Крістіаном Гюйгенсом у 1665 році за двома маятниковими годинниками. Гюйгенс зауважив, що годинник, прикріплений до однієї опори, можна поступово синхронізувати, оскільки слабка механічна взаємодія передається через цю спільну структуру.
У напівпровідниках зв’язок працює інакше. Замість механічних коливань кристали часу з’єднані рухом спін-поляризованих електронів.
Синхронізація на дивовижній відстані
Команда виявила, що кристали часу, розташовані на відстані 40 мікрометрів один від одного, все ще можуть синхронізуватися. Ця відстань більш ніж у тисячу разів перевищує характерний розмір осцилятора.
Але коли відстань стає більшою, окремі кристали часу більше не з’єднуються, а замість цього продовжують коливатися незалежно.
Результати демонструють нелокальний зв’язок між просторово розділеними спіновими системами. Вони також можуть допомогти закласти основу для майбутніх мереж керованих спінових осциляторів, потенційно відкриваючи нові можливості для спінових технологій.
