Удаленные кристаллы времени синхронизировали свои колебания внутри полупроводника

Это открытие важно, потому что оно предоставляет конкретную платформу для создания управляемых сетей спиновых осцилляторов, что может продвинуть ряд спиновых технологий, включая спиновые сети, спиноволновые вычисления и другие платформы обработки информации на коллективных спинах . Команда создала кристаллы в полупроводнике из арсенида индия-галлия (InGaAs) — материала, который уже является ключевым в современной электронике и оптоэлектронике .

Материал: арсенид индия-галлия при 3 К

Команда использовала слой арсенида индия-галлия толщиной 10 мкм, содержащего 3% индия и легированного кремнием . Материал служит «хозяином» для миллиардов независимых спиновых систем. Локализованные электроны вокруг доноров кремния взаимодействуют примерно с одним миллионом окружающих ядерных спинов через сверхтонкое взаимодействие, образуя ядро каждого осциллятора кристалла времени . Эксперимент проводился при температуре около –270 °C (3 К), необходимой для поддержания когерентности в спиновой системе .

Как осцилляторы синхронизируются

Механизм синхронизации концептуально похож на тот, который Кристиан Гюйгенс наблюдал у маятниковых часов, висящих на одной балке: слабая связь через общую среду «подтягивает» колебания к унисону . В данном случае широкий накачивающий лазер (около 200 мкм) одновременно возбуждает множество областей полупроводника. Ранее независимые колебания в каждой области «подстраиваются» под общую частоту . Это не тривиальный эффект, так как каждый осциллятор изначально колеблется на немного разной частоте из-за локальных неоднородностей материала .

Экспериментальное подтверждение было получено с помощью теста с двумя лазерами. Команда использовала два отдельных накачивающих лазера для возбуждения двух независимых областей полупроводника, контролируя результат одним широким зондирующим лучом. При расстоянии 25 мкм между центрами областей первая область колебалась на частоте 91 мГц, а вторая — на 69 мГц (разница около 27%). Когда оба лазера включили одновременно, два пика частот слились в один на частоте 80 мГц, что подтвердило взаимную синхронизацию. При расстоянии 50 мкм исходные две частоты остались различными, что показало предел дальности связи .

Дальность и устойчивость синхронизации

Кристаллы времени, разделенные расстоянием до 40 мкм, могли синхронизироваться — это более чем в 1000 раз превышает характерный размер отдельного осциллятора . Если точнее, измеренный диапазон синхронизации составил 38 ± 3 мкм между центрами лазерных пятен, или 25 ± 3 мкм по краям с учетом профилей пучков .

Примечательно, что синхронизация сохранялась даже при разнице собственных частот удаленных осцилляторов до 40% . Такая широкая толерантность к разнице частот является признаком сильной связи и указывает на то, что механизм достаточно устойчив, чтобы преодолевать внутреннюю неупорядоченность материала.

Механизм связи: спиновая диффузия

Команда определила, что переносчиками информации, опосредующими синхронизацию, являются поляризованные по спину электроны, диффундирующие через материал. Расчетная длина спиновой диффузии составляет около 17 мкм, полученная из константы диффузии примерно 24 см²/с и времени спиновой релаксации около 120 нс . Этот масштаб длины совпадает с наблюдаемым диапазоном синхронизации. Ядерная спиновая диффузия и электронные перескоки были исключены в качестве механизма связи, так как они слишком медленные или слишком короткодействующие .

Почему это важно для будущих технологий

Способность синхронизировать непрерывные кристаллы времени на макроскопических расстояниях открывает путь к созданию сетей спиновых осцилляторов, которыми можно управлять и считывать их состояние оптически. Поскольку платформа на основе полупроводников уже является зрелой технологией, интеграция таких кристаллов времени в устройства более практична, чем во многих других квантовых системах .

Потенциальные будущие применения включают спиновые сети для передачи информации, схемы спиноволновых вычислений, использующие коллективные спиновые возбуждения, и другие платформы обработки информации на коллективных спинах . Демонстрация командой из Дортмунда того, что эти кристаллы могут синхронизироваться даже при разнице собственных частот до 40%, предполагает, что подход достаточно устойчив для практической реализации.

Более широкий контекст исследований кристаллов времени

Эти результаты являются частью серии достижений той же группы. В январе 2024 года команда Грейлиха создала непрерывный кристалл времени в той же системе материалов, который просуществовал по меньшей мере 40 минут — в 10 миллионов раз дольше предыдущих демонстраций — без признаков затухания . В последующем исследовании, опубликованном в марте 2025 года, изучалась нелинейная динамика таких кристаллов времени под периодическим воздействием, что выявило явления от полной синхронизации до хаотического поведения в одной полупроводниковой структуре .

Синхронизация множества кристаллов времени, описанная в этой статье Nature Communications, расширяет концептуальный охват кристаллов времени от изолированных курьезов до потенциально полезных строительных блоков для спиновых технологий .