Tidskrystaller fant hverandre på avstand inne i en halvleder

Denne oppdagelsen er viktig fordi den gir en konkret plattform for kontrollerbare nettverk av spinn-oscillatorer, noe som kan fremme flere spinn-baserte teknologier, inkludert spinn-nettverk, spinn-bølge-databehandling og andre kollektive spinn-baserte informasjonsplattformer . Teamet skapte krystallene i en halvleder av indiumgalliumarsenid (InGaAs), et materiale som allerede er sentralt i moderne elektronikk og optoelektronikk .

Materialet: Indiumgalliumarsenid ved 3 K

Teamet brukte et 10 µm tykt lag av indiumgalliumarsenid med 3 % indium, dopet med silisium . Materialet fungerer som en vert for milliarder av uavhengige spinn-systemer. Lokaliserte elektroner rundt silisium-donorene vekselvirker med omtrent én million omkringliggende kjernespinn gjennom hyperfin-vekselvirkningen, og danner kjernen i hver tidskrystall-oscillator . Eksperimentet ble utført ved omtrent −270 °C (3 K), en kryogen temperatur som kreves for å opprettholde koherens i spinn-systemet .

Hvordan oscillatorene synkroniserer

Synkroniseringsmekanismen er konseptuelt lik den Christiaan Huygens observerte med pendelur som hang på en felles bjelke: svak kobling via det felles mediet trekker oscillasjonene inn i samme rytme . I dette tilfellet eksiterer en bred pumpe-laser på omtrent 200 µm mange områder av halvlederen samtidig. De ellers uavhengige oscillasjonene i hvert område låser seg til en felles frekvens . Dette er ikke en triviell effekt, fordi hver oscillator naturlig svinger med en litt forskjellig frekvens på grunn av lokale variasjoner i materialet .

Den eksperimentelle bekreftelsen kom fra en to-laser-test. Teamet brukte to separate pumpe-lasere for å eksitere to uavhengige områder av halvlederen, overvåket av en enkelt bred probe-stråle. Ved en avstand på 25 µm oscillerte område 1 ved 91 mHz og område 2 ved 69 mHz – en forskjell på omtrent 27 %. Da begge pumpene ble slått på samtidig, kollapset de to toppene til en enkelt topp ved 80 mHz, noe som bekreftet gjensidig synkronisering. Ved 50 µm separasjon forble de to opprinnelige frekvensene distinkte, noe som viste rekkeviddens begrensning .

Rekkevidden og toleransen for synkronisering

Tidskrystaller adskilt med opptil 40 µm kunne synkronisere, en avstand som er mer enn 1000 ganger den karakteristiske størrelsen til en individuell oscillator . Mer presist var det målte synkroniseringsområdet 38 ± 3 µm mellom strålesentrene, eller 25 ± 3 µm kant-til-kant etter justering for stråleprofiler .

Bemerkelsesverdig nok holdt synkroniseringen selv når de naturlige frekvensene til fjerne oscillatorer varierte med opptil 40 % . Denne brede toleransen for frekvensavvik er et tegn på sterk kobling og indikerer at mekanismen er robust nok til å overvinne den iboende uordenen i materialet.

Koblingsmekanismen: Spinn-diffusjon

Teamet identifiserte spinn-polariserte elektroner som diffunderer gjennom materialet som de informasjonsbærende bærerne som formidler synkroniseringen. Den estimerte spinn-diffusjonslengden er omtrent 17 µm, utledet fra en diffusjonskonstant på omtrent 24 cm²/s og en spinn-relaksasjonstid på omtrent 120 ns . Denne lengdeskalaen matcher det observerte synkroniseringsområdet. Kjernespinn-diffusjon og elektron-hopping ble utelukket som koblingsmekanisme fordi de er for trege eller har for kort rekkevidde til å forklare effekten .

Hvorfor dette er viktig for fremtidige teknologier

Evnen til å synkronisere kontinuerlige tidskrystaller over makroskopiske avstander åpner en vei mot å bygge nettverk av spinn-oscillatorer som kan kontrolleres og avleses optisk. Fordi halvlederplattformen allerede er en moden teknologi, er integrering av disse tidskrystallene i enheter mer praktisk enn med mange andre kvantesystemer .

Potensielle fremtidige anvendelser inkluderer spinn-nettverk for informasjonsoverføring, spinn-bølge-databehandlingsskjemaer som bruker kollektive spinn-eksitasjoner, og andre kollektive spinn-baserte informasjonsplattformer . Dortmund-teamets demonstrasjon av at disse krystallene kan synkronisere selv når deres naturlige frekvenser varierer med opptil 40 %, tyder på at tilnærmingen er robust nok for praktisk implementering.

Den bredere konteksten av tidskrystall-forskning

Disse resultatene bygger på en serie fremskritt fra samme gruppe. I januar 2024 skapte Greilichs team en kontinuerlig tidskrystall i det samme materialesystemet som varte i minst 40 minutter – 10 millioner ganger lenger enn tidligere demonstrasjoner – uten observert forfall . En oppfølgingsstudie i mars 2025 utforsket den ikke-lineære dynamikken til slike tidskrystaller under periodisk driving, og avslørte fenomener som spente fra perfekt synkronisering til kaotisk oppførsel innenfor en enkelt halvlederstruktur .

Synkroniseringen av flere tidskrystaller rapportert i denne Nature Communications-artikkelen utvider den konseptuelle rekkevidden til tidskrystaller fra isolerte kuriositeter til potensielt nyttige byggesteiner for spinn-baserte teknologier .