Група фізиків з Технічного університету Дортмунда показала, що кілька безперервних часових кристалів у напівпровіднику можуть поводитися не як окремі осцилятори, а як єдина узгоджена система. У нових експериментах, описаних у журналі Nature Communications і викладених на ресурсі SciTechDaily, просторово розділені часові кристали «знаходять» один одного на значній для мікросвіту відстані та переходять до спільного ритму.
Це дослідження спирається на попередню роботу тієї ж команди, де в напівпровіднику було продемонстровано незвично стійкий безперервний часовий кристал. Там спостерігалися тривалі коливання спінів електронів і ядер з когерентністю, що зберігалася годинами, що дало вченим стабільну платформу для вивчення поведінки кількох часових кристалів в одному матеріалі.
Як безперервні часові кристали підтримують ритм
На відміну від звичайного кристала, де атоми впорядковано повторюються в просторі, часовий кристал визначається періодичною поведінкою в часі. У цьому експерименті ритм не задається зовнішнім періодичним імпульсом. Напівпровідник безперервно освітлюється, а зв’язана система спінів сама формує власну частоту коливань.
Система не коливається без джерела енергії: постійне оптичне накачування підтримує нерівноважний стан, а повторювана динаміка виникає завдяки взаємодіям усередині матеріалу. Як основний матеріал використано арсенід галію з невеликими домішками індію та кремнію, які допомагають локалізувати електрони. Зразок охолоджують приблизно до −270 °C, лише на кілька градусів вище абсолютного нуля. Кожен локалізований електрон взаємодіє приблизно з мільйоном навколишніх ядерних спінів.
Лазерний промінь готує спіни електронів у певній орієнтації, поляризація яких потім передається ядрам. Коли прикладають слабке магнітне поле, поляризація ядерних спінів починає обертатися, а зворотний зв’язок між спінами електронів і ядер призводить до стійких коливань. Другий лазер дає змогу відстежувати цю динаміку в часі.
Коли окремі часові кристали починають «крокувати разом»
Різні ділянки напівпровідника на мікроскопічному рівні не є абсолютно однаковими, тому ізольовані області природно формують трохи відмінні частоти коливань. Найцікавіший ефект з’являється, коли одночасно збуджують кілька таких областей. Замість того щоб зберігати власний темп, сусідні часові кристали можуть підлаштовуватися один під одного, доки не почнуть коливатися з однаковою частотою.
Синхронізація відома в багатьох фізичних і біологічних системах. Класичний приклад ще з XVII століття — спостереження Христіана Гюйгенса, який помітив, що два маятникові годинники, закріплені на одній опорі, з часом починають працювати в унісон завдяки слабкій механічній взаємодії.
У випадку часових кристалів у напівпровіднику немає жорсткого механічного зв’язку між осциляторами. Експерименти вказують, що роль «посередника» виконують спін-поляризовані електрони, які дифундують крізь матеріал і переносять інформацію про фазу та частоту коливань.
Довгий «зв’язок» на мікроскопічних відстанях
Дослідники виявили, що синхронізація зберігається на відстанях до близько 40 мікрометрів, що добре узгоджується з характерною довжиною дифузії спіну електрона в цьому напівпровіднику. За межами цієї відстані часові кристали вже не «замикаються» один на одного і продовжують коливатися з власними частотами.
На перший погляд 40 мікрометрів здаються мізерною величиною, але це більш ніж у тисячу разів перевищує характерний розмір окремого осцилятора. На масштабі спінової системи така взаємодія є надзвичайно далекодіючою.
У результаті замість того, щоб розглядати кожну осцилюючу область як окремий часовий кристал, синхронізовану сукупність можна трактувати як більший часовий кристал, складений із багатьох взаємодіючих елементів. Це відкриває можливість вивчати колективну поведінку, перенесення інформації та складну динаміку в мережах спінових осциляторів усередині твердотільних пристроїв.
Такі системи можуть стати перспективною платформою для досліджень у галузі квантових технологій і спінтроніки, де керування спіном електрона та його колективними станами є ключовим ресурсом. Водночас робота має переважно фундаментальний характер і показує, як у твердому тілі можуть самоорганізовуватися часові структури на великих для квантового масштабу відстанях.