Investigadores logran sincronizar cristales de tiempo a distancias sorprendentes en semiconductores

Un grupo de investigadores de la Universidad de Dortmund reveló que múltiples cristales de tiempo pueden sincronizar sus oscilaciones dentro de un semiconductor, similar a como lo hacen los péndulos de los relojes. Este descubrimiento, publicado en la revista Nature Communications, mostró que los electrones polarizados por espín permiten que cristales de tiempo separados por hasta 40 micrómetros se alineen a una frecuencia común.

Los cristales de tiempo son sistemas físicos inusuales que presentan un comportamiento interno que se repite en un ritmo regular, sin necesidad de una señal externa que lo impulse. En los experimentos realizados en gallio arsenide, un semiconductor al que se le añadieron pequeñas cantidades de indio y silicio, se formaron estos cristales a temperaturas cercanas a -270 grados Celsius. En estas condiciones, cada electrón interactuó con aproximadamente un millón de espines nucleares cercanos.

Para iniciar el proceso de sincronización, los investigadores utilizaron un láser de bombeo que alineó los espines de los electrones, transfiriendo su polarización a los espines nucleares circundantes. Al aplicar un campo magnético débil, la polarización de esos espines nucleares comenzó a rotar, generando oscilaciones continuas.

Sincronización de oscilaciones

En condiciones normales, las diferentes regiones del semiconductor no son idénticas a nivel microscópico, lo que causaría que los cristales de tiempo en áreas separadas oscilaran a frecuencias ligeramente diferentes. Sin embargo, al iluminar múltiples regiones simultáneamente con un haz láser amplio, las oscilaciones separadas pudieron alinearse y operar a la misma frecuencia.

Este fenómeno recuerda a la observación realizada por Christiaan Huygens en 1665, donde notó que los relojes de péndulo conectados a una misma estructura podían sincronizarse debido a una interacción mecánica débil. En el caso de los cristales de tiempo, la conexión se da a través del movimiento de electrones polarizados por espín, en lugar de vibraciones mecánicas.

Conexiones a larga distancia

Los investigadores encontraron que los cristales de tiempo podían sincronizarse incluso a distancias de 40 micrómetros, lo que representa más de mil veces el tamaño característico de un oscilador individual. Sin embargo, cuando la separación supera esta distancia, los cristales de tiempo dejan de sincronizarse y continúan oscilando de manera independiente.

Estos hallazgos evidencian un acoplamiento no local entre sistemas de espín espacialmente separados y podrían sentar las bases para futuras redes de osciladores de espín controlables, abriendo nuevas posibilidades para tecnologías basadas en el espín.

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