Фізики змусили кристали часу «співати в унісон» на відстані: прорив для спінових технологій

Це відкриття важливе, оскільки воно надає конкретну платформу для створення керованих мереж спінових осциляторів, що може просунути кілька спін-залежних технологій, включаючи спінові мережі, спін-хвильові обчислення та інші платформи для колективної обробки спінової інформації . Команда створила кристали в напівпровіднику з арсеніду індій-галію (InGaAs), матеріалу, який вже є ключовим у сучасній електроніці та оптоелектроніці .

Матеріал: Арсенід індій-галію при 3 К

Команда використала шар арсеніду індій-галію товщиною 10 мкм із вмістом 3% індію, легований кремнієм . Матеріал виступає як основа для мільярдів незалежних спінових систем. Локалізовані електрони навколо донорів кремнію взаємодіють приблизно з одним мільйоном навколишніх ядерних спінів через надтонку взаємодію, утворюючи ядро кожного кристала часу . Експеримент проводився при температурі приблизно −270 °C (3 К), що є кріогенною температурою, необхідною для підтримки когерентності спінової системи .

Як осцилятори синхронізуються

Механізм синхронізації концептуально подібний до того, який спостерігав Християн Гюйгенс у маятникових годинниках, що висять на спільній балці: слабке зв'язування через спільне середовище змушує коливання збігатися . У цьому випадку широкий лазер накачування розміром близько 200 мкм одночасно збуджує багато ділянок напівпровідника. Інакше незалежні коливання в кожній області блокуються до спільної частоти . Це не тривіальний ефект, оскільки кожен осцилятор природно коливається з дещо різною частотою через локальні варіації в матеріалі .

Експериментальне підтвердження надійшло від двола́зерного тесту. Команда використала два окремі лазери накачування для збудження двох незалежних ділянок напівпровідника, контрольованих одним широким зондувальним променем. На відстані 25 мкм ділянка 1 коливалася з частотою 91 мГц, а ділянка 2 — з частотою 69 мГц, що становить різницю близько 27%. Коли обидва насоси були ввімкнені одночасно, два піки злилися в один на частоті 80 мГц, підтверджуючи взаємну синхронізацію. При розділенні в 50 мкм дві початкові частоти залишилися різними, що показує межу дальності зв'язку .

Діапазон і толерантність синхронізації

Кристали часу, розділені відстанню до 40 мкм, могли синхронізуватися — це відстань більш ніж у 1000 разів перевищує характерний розмір окремого осцилятора . Точніше, виміряний діапазон синхронізації становив 38 ± 3 мкм між центрами променів, або 25 ± 3 мкм від краю до краю після врахування профілів променів .

Примітно, що синхронізація зберігалася навіть тоді, коли власні частоти віддалених осциляторів відрізнялися на цілих 40% . Ця висока стійкість до розбіжності частот є ознакою сильного зв'язку та вказує на те, що механізм є достатньо надійним, щоб подолати внутрішній безлад у матеріалі.

Механізм зв'язку: Спінова дифузія

Команда визначила спін-поляризовані електрони, що дифундують через матеріал, як носії інформації, які опосередковують синхронізацію. Оцінена довжина спінової дифузії становить приблизно 17 мкм, виведена з константи дифузії близько 24 см²/с і часу спінової релаксації близько 120 нс . Цей масштаб довжини збігається зі спостережуваним діапазоном синхронізації. Ядерна спінова дифузія та електронні перескоки були виключені як механізм зв'язку, оскільки вони є занадто повільними або занадто короткодіючими, щоб пояснити ефект .

Чому це важливо для майбутніх технологій

Здатність синхронізувати неперервні кристали часу на макроскопічних відстанях відкриває шлях до побудови мереж спінових осциляторів, які можна контролювати та зчитувати оптично. Оскільки напівпровідникова платформа вже є зрілою технологією, інтеграція цих кристалів часу в пристрої є більш практичною, ніж з багатьма іншими квантовими системами .

Потенційні майбутні застосування включають спінові мережі для передачі інформації, схеми спін-хвильових обчислень, які використовують колективні спінові збудження, та інші платформи для колективної обробки спінової інформації . Демонстрація команди ТУ Дортмунда того, що ці кристали можуть синхронізуватися навіть тоді, коли їхні власні частоти відрізняються на 40%, свідчить про те, що підхід є достатньо надійним для практичної реалізації.

Ширший контекст досліджень кристалів часу

Ці результати базуються на серії досягнень тієї ж групи. У січні 2024 року команда Грейліха створила неперервний кристал часу в тій самій системі матеріалів, який проіснував щонайменше 40 хвилин — у 10 мільйонів разів довше, ніж попередні демонстрації, без спостережуваного розпаду . Подальше дослідження в березні 2025 року вивчило нелінійну динаміку таких кристалів часу під періодичним збудженням, виявивши явища від ідеальної синхронізації до хаотичної поведінки в межах однієї напівпровідникової структури .

Синхронізація кількох кристалів часу, про яку повідомляється в цій статті Nature Communications, розширює концептуальне охоплення кристалів часу від ізольованих курйозів до потенційно корисних будівельних блоків для спін-залежних технологій .