Кристаллы времени ГГц на кристалле в сочетании с полупроводниковыми фотонными устройствами открывают путь к новым приложениям в физике и оптоэлектронике.

Исследователи впервые наблюдали временной кристалл на микроскопическом полупроводниковом чипе, колеблющийся со скоростью несколько миллиардов раз в секунду, обнаруживая исключительно высокую нелинейную динамику в гигагерцовом диапазоне.

Результаты эксперимента, Опубликовано в НаукиИсследователи из Института твердотельной электроники Пауля Друде (PDI) в Берлине, Германия, Института твердотельной электроники Пола Друде (PDI) в Берлине, Германия, Института твердотельной электроники Пауля Друде (PDI) в Берлине , Германия, базирующийся в Аргентине Centro Atomico Bariloche и Instituto Balsero (CAB) говорят -IB).

Исследование проводилось с использованием высококачественного образца на основе полупроводника, который действует как ловушка для конденсатов когерентного фотонного материала.

Разработанный и изготовленный в PDI образец был создан путем укладки слоев полупроводниковых материалов толщиной в один атом в условиях чрезвычайно высокого вакуума, в конечном итоге образуя «коробку» микронного размера, способную улавливать миллионы квантовых частиц. Затем его передали в CAB-IB для тестирования.

Когда команда CAB-IB направила на образец независимый от времени (то есть непрерывный) лазер, они заметили, что частицы в нем начали колебаться на гигагерцовых частотах, миллиард раз в секунду.

Впервые устойчивые колебания в этом диапазоне наблюдаются в образце конденсатора на полупроводниковом приборе.

Исследователи также обнаружили, что колебания можно точно настроить с помощью оптической силы лазера, а эволюцию свободной частоты можно стабилизировать с помощью механических колебаний атомной решетки полупроводника на частоте 20 ГГц.

Согласно своей теории, исследователи обнаружили, что при увеличении мощности лазера частицы вибрировали ровно на половине частоты механических колебаний.

«Такое поведение можно интерпретировать как различные проявления кристалла времени», — сказал Александр Кузнецов, ученый из PDI.

«Продемонстрированные результаты добавляют новое измерение в физику открытых многообъектных квантовых систем, обеспечивая частоты на несколько порядков выше, чем раньше, и предлагая новые способы управления возникающей динамикой, что приводит к созданию захватывающих кристаллов времени на полупроводниковой платформе».

Что такое кристаллы времени?

С тех пор как лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек впервые предложил свою теорию более десяти лет назад, исследователи искали неуловимые «кристаллы времени» — системы многих тел, состоящие из частиц и квазичастиц, таких как экситоны, фотоны и поляритоны, которые, в различные квантовые состояния отличаются друг от друга наиболее стабильными периодически во времени.

Теория Вильчека вращалась вокруг загадочного вопроса: может ли наиболее стабильное состояние квантовой системы, состоящей из множества частиц, быть периодическим во времени? То есть могут ли появиться временные колебания, характеризующиеся пульсацией с четко выраженным ритмом?

Было быстро показано, что поведение кристаллов времени не может происходить в изолированных системах (системах, которые не обмениваются энергией с окружающей средой). Но этот тревожный вопрос не только не закрыл тему, но и побудил ученых искать условия, при которых открытая система (то есть система, которая обменивается энергией с окружающей средой) могла бы развивать такое поведение временного кристалла.

Хотя кристаллы времени наблюдались несколько раз в системах, вышедших из равновесия, многое в них остается неопределенным: их внутренняя динамика выходит далеко за рамки нынешнего понимания ученых, а их потенциальное использование осталось в области теории, а не практики. .

«Эта работа представляет собой сдвиг парадигмы в подходе к кристаллам времени, позволяя расширить эти исследования, включив в них большие случайные массивы (решетки) кристаллов локального времени для изучения их взаимодействия и синхронизации», — сказал Алехандро Файнштейн, ведущий исследователь и исследователь. . Профессор, возглавлявший команду CAB-IB.

«С его помощью мы смогли выявить странное поведение квантовых материалов. Поскольку рассматриваемые материалы являются полупроводниками, совместимыми с интегрированными фотонными устройствами, а показанные частоты актуальны как для классических, так и для квантовых информационных технологий, мы предвидим дополнительные этапы, на которых мы будем работать. попытайтесь контролировать такое поведение для приложений», включая преобразование фотона в радиочастоту на квантовом уровне».

Возможные применения

По мнению исследовательской группы, этот эксперимент является хорошим предзнаменованием для использования кристаллов времени в интегрированной фотонике и микроволнах.

«Из-за усиленной поляритоном связи между гигагерцовыми фононами и фотонами ближнего инфракрасного диапазона результаты имеют потенциал для применения в (квантовом) преобразовании между микроволнами и оптическими частотами», — сказал Пауло Вентура Сантос, старший научный сотрудник PDI.

Нелинейные оптоэлектронные системы на основе полупроводников — устройства, которые могут преобразовывать оптическую энергию в электрическую или наоборот — привлекают особое внимание из-за их потенциального применения в фотонике на кристаллах. Но их трудно изучать из-за наличия многочастичных комплексов (например, кристаллов времени), определяющих их электронные и оптические свойства.

«Более глубокое понимание четко определенных систем внутри этих многотелых систем, таких как та, которую помогла выявить команда PDI/CAB-IB, может помочь прояснить эту внутреннюю динамику – и, таким образом, помочь разработать способы контроля таких систем и использования их. для приложений», — сказал он Гонсало Усай, руководитель теории из команды CAB-IB.