수십 마이크로미터 떨어진 시간결정, 하나의 리듬으로 진동하다

발진기의 동기화 방식

동기화 메커니즘은 17세기 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)가 관찰한 진자 시계 동기화 현상과 개념적으로 유사하다. 호이겐스는 공통된 벽에 걸린 두 개의 진자 시계가 약한 결합을 통해 결국 같은 리듬으로 움직이는 것을 발견했다. 이번 실험에서는 폭이 약 200µm인 넓은 펌프 레이저가 반도체의 여러 영역을 동시에 여기시키면서, 각 영역의 독립적인 진동이 공통 주파수로 고정됐다.

두 개의 펌프 레이저로 확인한 동기화

연구팀은 두 개의 분리된 펌프 레이저를 사용해 반도체의 서로 다른 두 영역을 독립적으로 여기시키고, 하나의 넓은 프로브 빔으로 관찰하는 실험을 통해 동기화를 확인했다. 25µm 간격에서 영역 1은 91mHz, 영역 2는 69mHz로 각각 진동했으며, 두 펌프를 동시에 켰을 때 두 개의 주파수 피크가 하나(80mHz)로 합쳐져 상호 동기화를 확인할 수 있었다. 반면 50µm 간격에서는 두 주파수가 그대로 유지되어 결합의 한계 범위를 보여줬다.

동기화 범위와 내성

최대 40µm 떨어진 시간결정들도 동기화가 가능했으며, 이는 개별 발진기 특성 크기의 1000배 이상에 해당하는 거리다. 더 정확하게는, 빔 중심 간 38±3µm, 빔 프로파일을 고려한 가장자리 간 25±3µm로 측정됐다.

놀라운 점은 멀리 떨어진 발진기들의 자연 진동수가 최대 40%까지 차이가 나도 동기화가 유지됐다는 것이다. 이는 강한 결합 메커니즘이 재료 내부의 고유한 불규칙성을 극복할 수 있을 만큼 강건함을 의미한다.

결합 메커니즘: 스핀 확산(Spin Diffusion)

연구팀은 동기화를 매개하는 정보 전달체가 재료 내부를 확산하는 스핀 편극 전자(spin-polarized electrons)임을 확인했다. 추정된 스핀 확산 길이는 약 17µm이며, 이는 확산 상수 약 24cm²/s와 스핀 이완 시간 약 120ns로부터 도출됐다. 이 길이는 관찰된 동기화 범위와 일치한다. 핵 스핀 확산이나 전자 호핑(hopping)은 너무 느리거나 범위가 짧아 결합 메커니즘에서 제외됐다.

미래 기술에의 의미

연속 시간결정을 거시적 거리에서 동기화할 수 있는 능력은 광학적으로 제어하고 읽어낼 수 있는 스핀 발진기 네트워크 구축의 길을 열어준다. 반도체 플랫폼은 이미 성숙한 기술이기 때문에, 다른 양자 시스템에 비해 실제 소자로의 통합이 더 현실적이다.

잠재적 응용 분야로는 정보 전달을 위한 스핀 네트워크, 집단 스핀 여기를 활용하는 스핀파 컴퓨팅 등이 있다.

시간결정 연구의 더 넓은 맥락

이번 연구는 같은 연구팀의 일련의 성과를 기반으로 한다. 2024년 1월, 그릴리히 교수팀은 같은 소재 시스템에서 최소 40분 동안 지속되는 연속 시간결정을 만들어 이전 기록보다 1000만 배 더 긴 수명을 입증했다. 2025년 3월 후속 연구에서는 주기적 구동 하의 시간결정 비선형 동역학을 탐구해, 완벽한 동기화에서 혼란스러운 행동에 이르는 현상을 단일 반도체 구조 내에서 관찰했다.

이번 네이처 커뮤니케이션즈 논문에서 보고된 다중 시간결정의 동기화는 시간결정의 개념적 범위를 고립된 호기심에서 스핀 기반 기술을 위한 유용한 구성 요소로 확장했다는 평가를 받는다.