Учёные из Университета TU Дортмунд сообщили в январе 2024 года о существовании непрерывного кристалла времени, который мог сохраняться внутри полупроводника, оставаясь стабильным в течение часов. В новой работе, опубликованной в Nature Communications, профессор Алекс Грейлич и его коллеги показали: в одном и том же материале может возникать сразу несколько кристаллов времени, и их осцилляции электронной и ядерной спинов синхронизируются между собой.

Кристаллы времени — это особые физические системы, внутреннее поведение которых повторяется во времени в определённом ритме, даже если их не «ведут» внешние периодические сигналы.

В экспериментах в Дортмундском полупроводнике используется полупроводник на основе галлия арсенид с небольшими добавками индия и кремния. Эти добавки создают локализованные электронные состояния, и при температурах около −270 °C каждый электрон взаимодействует примерно с миллион соседних ядерных спинов.

Чтобы запустить процесс, исследователи используют лазер-насос, который выравнивает спины электронов. Затем электронная поляризация передаётся окружающим ядерным спинам. При приложении слабого магнитного поля поляризация ядерных спинов начинает поворачиваться.

Обратная связь между спинами электронов и ядерных спинов поддерживает осцилляции. За развитием осцилляций наблюдают с помощью второго лазера, который фиксирует изменение их характеристик во времени.

Разделённые осциляции могут синхронизироваться, когда образуются поля на одном уровне: области полупроводника не идентичны на микроскопическом уровне и из-за локальных различий кристаллы времени в разных участках чаще всего колебались бы на немного разных частотах.

Однако при одновременном облучении широким лучом лазера многочисленных участков отдельные осциляции могут «зажаться» в одну и начинают работать на одной частоте, словно связались между собой.

Эффект напоминает наблюдение Кристиана Гюйгенса, зафиксированное в 1665 году — два маятниковых часов на одной опоре постепенно синхронно начинали работать из-за слабого механического взаимодействия через общую конструкцию.

В полупроводнике связь происходит не через механические колебания, а через движение намагниченных электронов — спин-поляризованных электронов.

Учёные обнаружили, что кристаллы времени, расположенные на расстоянии до 40 микрометров друг от друга, способны синхронизироваться. Это расстояние более чем в тысячу раз превышает характерный размер отдельного осцилятора.

Когда разделение становится больше, отдельные кристаллы времени перестают «защёлкиваться» вместе и продолжают колебаться независимо.

Полученные результаты демонстрируют неглобальную связь между пространственно отделёнными системами спинов и могут помочь заложить основы будущих сетей управляемых спин-осцилляторов, открывающих новые перспективы для спиновых технологий.