Φυσικοί από το TU Dortmund University έδειξαν ότι πολλοί κρύσταλλοι του χρόνου μπορούν να σχηματιστούν μέσα στο ίδιο ημιαγωγικό υλικό και να συγχρονίσουν τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονικών και πυρηνικών spin τους. Το εύρημα θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για μελλοντικά ελεγχόμενα δίκτυα ταλαντωτών spin.
Οι κρύσταλλοι του χρόνου είναι συστήματα των οποίων η εσωτερική δυναμική επαναλαμβάνεται περιοδικά στον χρόνο, χωρίς να απαιτείται περιοδικό εξωτερικό ερέθισμα.
Κρύσταλλοι του χρόνου μέσα σε ημιαγωγό
Η ομάδα του καθηγητή Alex Greilich δημιούργησε τους κρυστάλλους του χρόνου σε έναν ημιαγωγό από αρσενιούχο γάλλιο, εμπλουτισμένο με μικρές ποσότητες ινδίου και πυριτίου. Το υλικό περιέχει εντοπισμένα ηλεκτρόνια και ψύχεται σε θερμοκρασίες κοντά στους -270 βαθμούς Κελσίου.
Κάθε ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με περίπου ένα εκατομμύριο πυρηνικά spin που βρίσκονται γύρω του. Ένα laser διεγείρει και ευθυγραμμίζει τα ηλεκτρονικά spin, τα οποία μεταφέρουν την πόλωσή τους στα πυρηνικά spin.
Σε ασθενές μαγνητικό πεδίο, η πόλωση των πυρηνικών spin αρχίζει να περιστρέφεται. Η αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και πυρηνικών spin δημιουργεί έναν μηχανισμό ανάδρασης που διατηρεί τις ταλαντώσεις.
Πώς συγχρονίζονται
Οι διαφορετικές περιοχές του ημιαγωγού έχουν ελαφρώς διαφορετικό μικροσκοπικό περιβάλλον και, επομένως, οι κρύσταλλοι του χρόνου κανονικά ταλαντώνονται σε διαφορετικές συχνότητες.
Όταν όμως μια ευρεία δέσμη laser διεγείρει ταυτόχρονα πολλές περιοχές, οι ταλαντώσεις τους μπορούν να «κλειδώσουν» στην ίδια συχνότητα.
Ο μηχανισμός θυμίζει το γνωστό πείραμα του Christiaan Huygens το 1665, όταν δύο εκκρεμή ρολόγια συγχρονίστηκαν μέσω ασθενών μηχανικών αλληλεπιδράσεων. Στον ημιαγωγό, αντί για μηχανική σύζευξη, τον συγχρονισμό προκαλεί η διάχυση πολωμένων ως προς το spin ηλεκτρονίων.
Συγχρονισμός σε απόσταση 40 μικρομέτρων
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι κρύσταλλοι του χρόνου που απέχουν έως και 40 μικρόμετρα μπορούν να συγχρονιστούν. Η απόσταση αυτή είναι πάνω από χίλιες φορές μεγαλύτερη από το χαρακτηριστικό μέγεθος ενός μεμονωμένου ταλαντωτή.
Πέρα από αυτή την απόσταση, οι κρύσταλλοι συνεχίζουν να ταλαντώνονται ανεξάρτητα.
Το αποτέλεσμα αποδεικνύει ότι είναι δυνατή η μη τοπική σύζευξη χωρικά διαχωρισμένων συστημάτων spin. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η ανακάλυψη θα μπορούσε να αποτελέσει θεμέλιο για την ανάπτυξη ελεγχόμενων δικτύων ταλαντωτών spin και νέων τεχνολογιών που βασίζονται στη δυναμική των spin.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Communications.