Исследователи обнаружили, что несколько «кристаллов времени» могут вести себя коллективно, а не как изолированные осцилляторы. Источник: SciTechDaily.com

Отдельные временные кристаллы внутри полупроводника могут «находить» друг друга на удивительно больших расстояниях и синхронизироваться в одном ритме.

Исследователи из Дортмундского технического университета продемонстрировали этот эффект на примере полупроводниковой системы, в которой электронные и ядерные спины образуют непрерывные временные кристаллы. Их последние эксперименты, опубликованные в Nature Communications, показали, что пространственно разделённые осцилляторы могут синхронизироваться на одной частоте, даже если изначально у них разные ритмы.

Это открытие стало продолжением более ранней демонстрации командой необычайно устойчивого непрерывного временного кристалла в полупроводнике. Эта система генерировала устойчивые электронно-ядерные спиновые колебания с когерентностью, сохраняющейся в течение нескольких часов, что дало исследователям стабильную платформу для изучения того, что происходит, когда в одном материале существует несколько временных кристаллов.

Как кристаллы непрерывного времени сохраняют свой ритм

В отличие от обычного кристалла, атомы которого повторяются в пространстве, кристалл времени определяется поведением, которое повторяется во времени. В этом эксперименте ритм не задается периодически пульсирующим источником. Полупроводник освещается непрерывно, а связанная спиновая система вырабатывает собственную частоту колебаний. Система не совершает колебаний без источника энергии. Вместо этого непрерывная оптическая накачка поддерживает неравновесное состояние, в то время как повторяющаяся динамика возникает в результате взаимодействий внутри материала.

Материал содержит арсенид галлия с небольшим количеством индия и кремния, которые помогают локализовать электроны. Он охлажден примерно до −270 °C (−454 °F), что всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Каждый локализованный электрон взаимодействует примерно с миллионом окружающих его ядерных спинов. 

На рисунке изображен пространственный кристалл, в котором размещены несколько непрерывных временных кристаллов (НВК), обозначенных стрелками. Они возбуждаются лучом красного лазера. В пределах области, определяемой максимальным расстоянием для диффузии электронных спинов, все временные кристаллы синхронизированы друг с другом. Источник: Алекс Грейлих

Лазер подготавливает спины электронов к предпочтительной ориентации. Затем их поляризация передается ядрам. При воздействии слабого магнитного поля поляризация ядерных спинов начинает вращаться, а обратная связь между электронными и ядерными спинами приводит к устойчивым колебаниям. Второй лазер позволяет исследователям отслеживать это движение.

Когда отдельные временные кристаллы синхронизируются

Разные части полупроводника не являются абсолютно идентичными на микроскопическом уровне, поэтому в изолированных областях естественным образом возникают немного отличающиеся частоты колебаний. Поразительное явление возникает, когда возбуждаются сразу несколько областей. Вместо того чтобы продолжать двигаться с индивидуальной скоростью, расположенные рядом кристаллы времени могут подстраиваться до тех пор, пока не начнут двигаться с общей частотой.

Синхронизация широко распространена в физике и биологии, но классическое сравнение относится к 1665 году, когда Христиан Гюйгенс заметил, что два маятниковых маятника, установленных на одной опоре, в конце концов начинают идти в такт. Их слабого механического взаимодействия было достаточно, чтобы скоординировать их движение.

Временные кристаллы обеспечивают связь на удивительных расстояниях

Ничто физически не связывает полупроводниковые осцилляторы таким образом. Вместо этого эксперименты указывают на то, что в качестве связующего звена между ними выступают спиново-поляризованные электроны, движущиеся через материал.

Наблюдаемая синхронизация распространяется на расстояния около 40 микрометров (0,0016 дюйма) — расстояние, которое примерно соответствует характерной длине диффузии спинов электронов в полупроводнике. За пределами этого диапазона осцилляторы перестают синхронизироваться и продолжают работать на своих собственных частотах. Сорок микрометров — это, может, и немного, но это более чем в тысячу раз превышает характерный размер отдельного осциллятора. В масштабах базовой спиновой системы это делает взаимодействие удивительно дальнодействующим.

Вместо того чтобы рассматривать каждую осциллирующую область как изолированный кристалл времени, можно представить синхронизированную совокупность в виде более крупного кристалла времени, состоящего из множества взаимодействующих элементов. Это открывает возможности для изучения коллективного поведения, передачи информации и сложной динамики в сетях спиновых осцилляторов в твердотельных устройствах.

Ссылка: “Non-local synchronization of continuous time crystals in a semiconductor” by Alex Greilich, Nataliia E. Kopteva, Vladimir L. Korenev, Philipp A. Haude, Linus Kunze, Ben W. Grobecker, Sergiu Anghel, Markus Betz and Manfred Bayer, 22 July 2026, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-75714-1