Удаленные кристаллы времени могут каким-то образом попадать в один и тот же ритм

Исследователи показали, что несколько кристаллов времени внутри полупроводника могут синхронизировать свои колебания, подобно маятниковым часам, постепенно входящим в один ритм. Связь обеспечивается спин-поляризованными электронами, позволяя кристаллам времени, разделённым расстоянием до 40 микрометров, запираться на общей частоте. Открытие выявляет неожиданно дальнодействующие связи между этими экзотическими спиновыми системами и может помочь в разработке будущих устройств на основе спина.

В январе 2024 года физики из Дортмундского технического университета (TU Dortmund) показали, что непрерывный кристалл времени может сохраняться внутри полупроводника, а его колебания остаются стабильными в течение часов. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, профессор Алекс Грайлих и его коллеги обнаружили, что несколько кристаллов времени могут возникать в одном и том же материале и синхронизировать свои электрон-ядерные спиновые колебания. В экспериментах используется полупроводник из арсенида галлия с небольшими добавками индия и кремния; эти добавки создают локализованные электроны. При температурах около −270 °C каждый электрон взаимодействует примерно с одним миллионом соседних ядерных спинов. Лазер накачки выстраивает спины электронов, которые затем передают поляризацию окружающим ядерным спинам. При слабом магнитном поле поляризация ядерных спинов начинает вращаться, а обратная связь между электронными и ядерными спинами поддерживает колебания; второй лазер позволяет отслеживать их развитие. Разные области полупроводника не полностью идентичны на микроскопическом уровне, поэтому кристаллы времени в отдельных областях обычно колеблются на немного разных частотах.

Когда исследователи освещают множество областей одновременно широким лазерным пучком, отдельные колебания могут захватываться и начинать работать на одной частоте. Этот эффект напоминает наблюдение Христиана Гюйгенса 1665 года: два маятниковых часа, прикреплённые к одной опоре, постепенно синхронизировались из-за слабого механического взаимодействия через общую конструкцию. В полупроводнике связь работает иначе: вместо механических колебаний кристаллы времени связываются через движение спин-поляризованных электронов. Команда обнаружила, что кристаллы времени, расположенные на расстоянии до 40 микрометров друг от друга, всё ещё могут синхронизироваться; это более чем в тысячу раз превышает характерный размер одного осциллятора. Однако при большем разделении отдельные кристаллы времени больше не захватываются и продолжают колебаться независимо. Результаты демонстрируют нелокальную связь между пространственно разделёнными спиновыми системами и могут заложить основу для будущих сетей управляемых спиновых осцилляторов, потенциально открывая новые возможности для спиновых технологий.