Физики из Технического университета Дортмунда обнаружили, что несколько временных кристаллов могут формироваться в одном полупроводниковом материале и синхронизировать колебания электронных и ядерных спинов. Результаты работы профессора Алекса Грайлиха и его коллег опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование стало продолжением эксперимента, проведённого в январе 2024 года, когда учёные показали устойчивость непрерывного временного кристалла в полупроводнике на протяжении нескольких часов.
Временными кристаллами называют необычные физические системы, внутренние процессы в которых повторяются через равные промежутки времени без воздействия внешнего периодического сигнала. В опытах Дортмундского университета такие структуры возникают в полупроводнике из арсенида галлия с небольшими добавками индия и кремния. Эти примеси создают в материале локализованные электроны, каждый из которых при температуре около −270 градусов Цельсия взаимодействует примерно с миллионом соседних ядерных спинов.
Для запуска процесса исследователи направляют на образец лазерный импульс, выстраивающий спины электронов. Затем электроны передают свою поляризацию окружающим ядерным спинам, а слабое магнитное поле заставляет их поляризацию вращаться. Обратная связь между электронными и ядерными спинами поддерживает колебания, тогда как второй лазер позволяет наблюдать за их изменениями во времени.
Из-за микроскопических различий между участками полупроводника временные кристаллы в разных областях обычно колебались бы с немного отличающимися частотами. Однако при одновременном освещении множества зон широким лазерным лучом эти колебания способны перейти в общий ритм. Как сообщает ScienceDaily, связь между структурами обеспечивается не механическими колебаниями, а движением электронов с поляризованными спинами.
Наблюдаемый эффект напоминает опыт Христиана Гюйгенса 1665 года с двумя маятниковыми часами. Учёный заметил, что часы, закреплённые на одной опоре, постепенно синхронизировались благодаря слабому механическому взаимодействию через общую конструкцию. В полупроводнике аналогичный результат достигается иным способом — через взаимодействие спиновых систем.
Синхронизация сохранялась между временными кристаллами, расположенными на расстоянии до 40 микрометров. Это более чем в тысячу раз превышает характерный размер одного осциллятора, однако при дальнейшем увеличении расстояния структуры перестают подстраиваться друг под друга и продолжают колебаться независимо. Учёные считают, что результат демонстрирует нелокальную связь разнесённых спиновых систем и может стать основой для создания управляемых сетей спиновых осцилляторов.