Учёные обнаружили, что временные кристаллы в полупроводнике могут синхронизироваться на расстоянии

Физики из Дортмундского технического университета ещё в январе 2024 года показали, что непрерывный временной кристалл может существовать внутри полупроводника, а его колебания остаются стабильными в течение нескольких часов. Теперь в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, профессор Алекс Грайлих и его коллеги обнаружили, что в одном и том же материале могут возникать несколько временных кристаллов, синхронизирующих колебания электронно-ядерных спинов.

Временные кристаллы — это необычные физические системы, внутреннее поведение которых повторяется в регулярном ритме с течением времени, хотя они не управляются повторяющимся внешним сигналом.

В экспериментах Дортмундского технического университета временные кристаллы формируются внутри полупроводника из арсенида галлия с небольшими добавками индия и кремния. Эти добавленные элементы создают локализованные электроны внутри материала. При температурах около −270 °C каждый электрон взаимодействует примерно с миллионом соседних ядерных спинов.

Чтобы запустить процесс, исследователи используют лазер накачки для выравнивания электронных спинов. Затем электроны передают свою поляризацию окружающим ядерным спинам. Когда прикладывается слабое магнитное поле, поляризация этих ядерных спинов начинает вращаться.

Обратная связь между электронными и ядерными спинами поддерживает колебания. Второй лазер позволяет исследователям отслеживать, как эти колебания развиваются во времени.

Раздельные колебания синхронизируются

Различные области полупроводника не являются абсолютно идентичными на микроскопическом уровне. Из-за этих локальных вариаций временные кристаллы, формирующиеся в отдельных областях, обычно колеблются на слегка разных частотах.

Ситуация меняется, когда исследователи освещают множество областей одновременно широким лазерным лучом. В таких условиях раздельные колебания могут синхронизироваться и начинают работать на одной частоте.

Эффект напоминает наблюдение, сделанное Христианом Гюйгенсом в 1665 году с двумя маятниковыми часами. Гюйгенс заметил, что часы, прикреплённые к одной опоре, могут постепенно синхронизироваться из-за слабого механического взаимодействия, передаваемого через эту общую структуру.

В полупроводнике связь работает иначе. Вместо механических колебаний временные кристаллы связываются через движение спин-поляризованных электронов.

Синхронизация на удивительных расстояниях

Команда обнаружила, что временные кристаллы, расположенные на расстоянии до 40 микрометров друг от друга, всё ещё могут синхронизироваться. Это расстояние более чем в тысячу раз превышает характерный размер одного осциллятора.

Однако при большем разделении отдельные временные кристаллы больше не синхронизируются и продолжают колебаться независимо.

Полученные результаты демонстрируют нелокальную связь между пространственно разделёнными спиновыми системами. Они также могут помочь заложить основу для будущих сетей управляемых спиновых осцилляторов, потенциально открывая новые возможности для технологий на основе спина.

Источники:

Материалы предоставлены Дортмундским техническим университетом.

Alex Greilich, Nataliia E. Kopteva, Vladimir L. Korenev, Philipp A. Haude, Linus Kunze, Ben W. Grobecker, Sergiu Anghel, Markus Betz, Manfred Bayer. Non-local synchronization of continuous time crystals in a semiconductor. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-75714-1