Kryształy czasu GHz na chipie w połączeniu z półprzewodnikowymi urządzeniami fotonicznymi torują drogę nowym zastosowaniom w fizyce i optoelektronice.

Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali kryształ czasowy na mikroskopijnym chipie półprzewodnikowym oscylujący z szybkością kilku miliardów razy na sekundę, ujawniając wyjątkowo wysoką dynamikę nieliniową w zakresie gigaherców.

Wyniki eksperymentu, Opublikowane w NaukiNaukowcy z Instytutu Elektroniki Półprzewodnikowej im. Paula Drude’a (PDI) w Berlinie, Niemcy, Instytutu Elektroniki Półprzewodnikowej im. Paula Drude’a (PDI) w Berlinie, Niemcy, Instytutu Elektroniki Półprzewodnikowej im. Paula Drude’a (PDI) w Berlinie w Niemczech, Centro Atomico Bariloche z siedzibą w Argentynie i Instituto Balsero (CAB) mówią -IB).

Do badań wykorzystano wysokiej jakości próbkę półprzewodnikową, która pełni rolę pułapki dla spójnych kondensatów materiału fotonicznego.

Zaprojektowana i wyprodukowana w PDI próbka została utworzona poprzez ułożenie warstw materiałów półprzewodnikowych o grubości jednego atomu w warunkach niezwykle wysokiej próżni, tworząc ostatecznie „pudełko” wielkości mikrona, zdolne do wychwytywania milionów cząstek kwantowych. Następnie przekazano go do testów do CAB-IB.

Kiedy zespół CAB-IB skierował na próbkę niezależny od czasu (tj. ciągły) laser, zauważył, że zawarte w niej cząstki zaczęły oscylować z częstotliwościami gigahercowymi, miliard razy na sekundę.

Po raz pierwszy zaobserwowano trwałe oscylacje w tym zakresie w próbce kondensatora w urządzeniu półprzewodnikowym.

Naukowcy odkryli również, że oscylacje można precyzyjnie dostroić za pomocą siły optycznej lasera, a swobodną ewolucję częstotliwości można ustabilizować za pomocą opracowanych drgań mechanicznych sieci atomowej półprzewodnika o częstotliwości 20 GHz.

Zgodnie ze swoją teorią naukowcy odkryli, że gdy zwiększano moc lasera, cząstki wibrowały z częstotliwością dokładnie o połowę mniejszą od częstotliwości wibracji mechanicznych.

„To zachowanie można interpretować jako różne przejawy kryształu czasu” – powiedział Alexander Kuznetsov, naukowiec z PDI.

„Wykazane wyniki dodają nowy wymiar fizyce otwartych układów kwantowych składających się z wielu obiektów, umożliwiając częstotliwości o kilka rzędów wielkości wyższe niż wcześniej i oferując nowe sposoby kontrolowania dynamiki wyłaniającej się, co prowadzi do fascynujących kryształów czasu na platformie półprzewodnikowej”.

Czym są kryształy czasu?

Odkąd ponad dziesięć lat temu fizyk, zdobywca Nagrody Nobla Frank Wilczek po raz pierwszy zaproponował swoją teorię, badacze poszukują nieuchwytnych „kryształów czasu” – układów wielu ciał składających się z cząstek i kwazicząstek, takich jak ekscytony, fotony i polarytony, które w różne stany kwantowe, różnią się od siebie. Najbardziej stabilne okresowo w czasie.

Teoria Wilczka opierała się na zagadkowym pytaniu: czy najbardziej stabilny stan układu kwantowego złożonego z wielu cząstek może być okresowy w czasie? To znaczy, czy mogą pojawić się oscylacje czasowe, które charakteryzują się pulsowaniem o ściśle określonym rytmie?

Szybko wykazano, że zachowanie kryształów czasu nie może zachodzić w układach izolowanych (układach, które nie wymieniają energii z otaczającym środowiskiem). Jednak to niepokojące pytanie, dalekie od zamknięcia tematu, zmotywowało naukowców do poszukiwania warunków, w których system otwarty (tj. system wymieniający energię z otoczeniem) mógłby rozwinąć takie zachowanie kryształu czasu.

Chociaż kryształy czasu obserwowano kilkakrotnie w układach, które wypadły z równowagi, wiele na ich temat pozostaje nieokreślonych: ich wewnętrzna dynamika wykracza daleko poza obecne zrozumienie naukowców, a ich potencjalne zastosowania pozostają w sferze teorii, a nie praktyki. .

„Ta praca reprezentuje zmianę paradygmatu w podejściu do kryształów czasu, umożliwiając rozszerzenie tych badań o duże losowe tablice (kraty) lokalnych kryształów czasu w celu zbadania ich interakcji i synchronizacji” – powiedział Alejandro Feinstein, główny badacz i badacz . Profesor kierujący zespołem CAB-IB.

„Dzięki niemu byliśmy w stanie odkryć dziwne zachowania materiałów kwantowych. Ponieważ omawiane materiały są półprzewodnikami kompatybilnymi ze zintegrowanymi urządzeniami fotonicznymi, a pokazane częstotliwości odnoszą się zarówno do klasycznych, jak i kwantowych technologii informacyjnych, przewidujemy dodatkowe etapy, w których będziemy to robić. spróbuj kontrolować te zachowania pod kątem zastosowań”, w tym konwersji fotonu na częstotliwość radiową na poziomie kwantowym.

Potencjalne aplikacje

Zdaniem zespołu badawczego eksperyment ten dobrze wróży wykorzystaniu kryształów czasu w zintegrowanej fotonice i mikrofalach.

„Ze względu na wzmocnione polarytonem sprzężenie między fononami gigahercowymi a fotonami bliskiej podczerwieni wyniki mają potencjał do zastosowania w (kwantowej) konwersji między mikrofalami a częstotliwościami optycznymi” – powiedział Paulo Ventura Santos, starszy naukowiec w PDI.

Nieliniowe systemy optoelektroniczne oparte na półprzewodnikach – urządzenia potrafiące przekształcać energię optyczną w energię elektryczną lub odwrotnie – przyciągają szczególną uwagę ze względu na ich potencjalne zastosowania w fotonice na chipach. Są jednak trudne do zbadania ze względu na obecność kompleksów wielu ciał (takich jak kryształy czasu), które określają ich właściwości elektroniczne i optyczne.

„Głębsze zrozumienie dobrze zdefiniowanych systemów w ramach tych systemów wielokorpusowych, takich jak ten, który pomógł zdefiniować zespół PDI/CAB-IB, może pomóc w wyjaśnieniu tej wewnętrznej dynamiki, a tym samym pomóc w opracowaniu sposobów kontrolowania takich systemów i ich wykorzystania wniosków” – powiedział Gonzalo Usay, lider teorii z zespołu CAB-IB.