کشف ارتباط میان بلورهای زمان در یک نیمهرسانا
فیزیکدانان نشان دادهاند که چند «بلور زمان پیوسته» درون یک نیمهرسانا میتوانند بدون اتصال مستقیم، یکدیگر را شناسایی کرده و در یک فرکانس مشترک به نوسان درآیند. این کشف میتواند به مطالعه شبکههای کوانتومی، انتقال اطلاعات و رفتار جمعی در مواد جامد کمک کند. به گزارش آذرنگار، پژوهشگران دانشگاه فنی دورتموند آلمان در آزمایشهای خود […]
فیزیکدانان نشان دادهاند که چند «بلور زمان پیوسته» درون یک نیمهرسانا میتوانند بدون اتصال مستقیم، یکدیگر را شناسایی کرده و در یک فرکانس مشترک به نوسان درآیند. این کشف میتواند به مطالعه شبکههای کوانتومی، انتقال اطلاعات و رفتار جمعی در مواد جامد کمک کند.
به گزارش آذرنگار، پژوهشگران دانشگاه فنی دورتموند آلمان در آزمایشهای خود نشان دادند که نوسانگرهای کوانتومیِ جدا از هم در یک ماده نیمهرسانا، حتی زمانی که در ابتدا با ریتمهای متفاوت نوسان میکنند، قادرند خود را با یکدیگر هماهنگ کنند.
نتایج این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است.
بلور زمان چیست؟
در بلورهای معمولی، اتمها در فضا آرایشی منظم و تکرارشونده دارند. اما در بلور زمان، نظم و تناوب در طول زمان ظاهر میشود؛ یعنی سامانه بهصورت منظم و پایدار در حال نوسان است.
در آزمایش جدید، این نوسان بهوسیله یک منبع خارجیِ ضربانی بهطور مستقیم تحمیل نمیشود. نیمهرسانا بهصورت پیوسته با نور لیزر تحریک میشود و برهمکنش میان اسپینهای الکترونها و هستهها، فرکانس نوسان پایدار را در سامانه ایجاد میکند.
البته این سامانه بدون دریافت انرژی نوسان نمیکند. تابش نوری پیوسته، حالت غیرتعادلی لازم را حفظ میکند و برهمکنشهای داخلی ماده، حرکت تناوبی را شکل میدهند.
نقش اسپین الکترونها و هستهها
ماده مورد استفاده از آرسنید گالیوم تشکیل شده بود که مقادیر اندکی ایندیوم و سیلیکون نیز در آن وجود داشت. این عناصر به محلیشدن الکترونها کمک میکنند.
نمونه در دمایی نزدیک به ۲۷۰ درجه سانتیگراد زیر صفر، یعنی تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق، سرد شد. هر الکترون محلیشده نیز با حدود یک میلیون اسپین هستهای اطراف خود برهمکنش داشت.
پژوهشگران ابتدا با لیزر، جهتگیری ترجیحی اسپین الکترونها را ایجاد کردند. سپس این قطبش به هستهها منتقل شد. با اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف، قطبش اسپینهای هستهای شروع به چرخش کرد و بازخورد میان اسپین الکترونها و هستهها، نوسانهای پایدار و طولانیمدت به وجود آورد.
چگونه بلورهای زمان با هم هماهنگ میشوند؟
بخشهای مختلف نیمهرسانا از نظر میکروسکوپی کاملاً یکسان نیستند. به همین دلیل، نواحی جداگانه بهطور طبیعی با فرکانسهای اندکی متفاوت نوسان میکنند.
اما زمانی که چند ناحیه بهصورت همزمان تحریک شدند، نوسانگرهای نزدیک بهجای ادامه دادن ریتمهای مستقل خود، فرکانسهایشان را تنظیم کردند و در یک ریتم مشترک قرار گرفتند.
این پدیده با مفهوم عمومی همزمانی در فیزیک قابل مقایسه است. نمونهای مشهور از آن در سال ۱۶۶۵ مشاهده شد؛ زمانی که کریستیان هویگنس دریافت دو ساعت آونگی که روی تکیهگاهی مشترک قرار داشتند، پس از مدتی با یکدیگر هماهنگ میشوند.
پیامرسانی در فاصله ۴۰ میکرومتری
در آزمایش جدید، بلورهای زمان بهصورت مکانیکی یا با یک سیم فیزیکی به یکدیگر متصل نبودند. شواهد نشان میدهد که الکترونهای دارای اسپین قطبیده درون نیمهرسانا نقش پیامرسان را ایفا میکنند.
هماهنگشدن نوسانگرها در فاصلهای حدود ۴۰ میکرومتر مشاهده شد؛ فاصلهای که تقریباً با طول مشخصه انتشار اسپین الکترون در این ماده مطابقت دارد.
این فاصله در مقیاس روزمره بسیار کوچک است، اما بیش از هزار برابر اندازه مشخصه یک نوسانگر منفرد محسوب میشود. بنابراین، در مقیاس سامانه اسپینی، بر نسبتاً دوربرد به شمار می زمان نوعی ارتباط نسبتاً دوربرد به شمار میرود.
در فاصلهای بیش از این مقدار، نوسانگرها دیگر نمیتوانند یکدیگر را قفل کنند و هرکدام با فرکانس مستقل خود به نوسان ادامه میدهند.
گامی بهسوی شبکههای کوانتومی
این یافته نشان میدهد که بلورهای زمان را نباید همیشه سامانههایی کاملاً منفرد و جدا از هم در نظر گرفت. مجموعهای از بلورهای زمانِ هماهنگشده میتواند مانند یک بلور زمان بزرگتر رفتار کند که از واحدهای متعدد و برهمکنشکننده تشکیل شده است.
چنین سامانههایی در آینده میتوانند برای بررسی موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:
- رفتار جمعی نوسانگرهای کوانتومی؛
- انتقال اطلاعات در مواد جامد؛
- ساخت شبکههای اسپینی؛
- مطالعه پدیدههای غیرتعادلی؛
- توسعه احتمالی ابزارهای کوانتومی و نیمهرساناهای پیشرفته.
با این حال، این نتیجه بهتنهایی به معنای ساخت رایانه کوانتومی یا سامانه انتقال اطلاعات کاربردی نیست و هنوز برای تبدیل این پدیده به فناوری عملی، پژوهشهای بیشتری مورد نیاز است.
منبع علمی
Alex Greilich et al.
Non-local synchronization of continuous time crystals in a semiconductor
Nature Communications
انتشار: ۲۲ ژوئیه ۲۰۲۶