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Un laser sincronizza cristalli temporali distanti: ecco perché
Un gruppo della TU Dortmund University guidato da Alex Greilich ha osservato cristalli temporali in punti diversi di un semiconduttore muoversi allo stesso ritmo quando vengono illuminati da un laser. Nello studio pubblicato su Nature Communications, la sincronizzazione arriva fino a 40 micrometri di distanza. Il risultato offre un modo per coordinare più oscillatori di spin nello stesso materiale, una capacità che i ricercatori intendono esplorare per futuri dispositivi basati sugli spin.
Un cristallo temporale continuo è un sistema in cui una proprietà interna oscilla con regolarità senza che una sollecitazione esterna ne imponga il ritmo a intervalli periodici. In questo caso l'energia arriva da un'illuminazione laser continua. Il campione è un semiconduttore di arseniuro di gallio con piccole quantità di indio e silicio; questi elementi favoriscono la presenza di elettroni localizzati. L'esperimento avviene a temperature vicine a −270 °C.
Ogni elettrone localizzato interagisce con circa un milione di nuclei atomici vicini. Un primo laser orienta gli spin elettronici, una proprietà quantistica delle particelle che si può rappresentare, con cautela, come una piccola bussola. Gli elettroni trasferiscono poi parte di questo orientamento agli spin nucleari. Applicando un debole campo magnetico, i ricercatori fanno ruotare la polarizzazione dei nuclei: lo scambio di influenza tra elettroni e nuclei sostiene l'oscillazione.
Un secondo laser segue l'evoluzione del segnale nel tempo. Le diverse zone del campione non sono identiche su scala microscopica, perciò gli oscillatori che vi nascono tendono ad avere frequenze leggermente diverse. Quando il gruppo illumina contemporaneamente molte zone con un fascio ampio, però, i segnali si agganciano a una frequenza comune. Secondo lo studio, il collegamento tra regioni distinte dipende dal movimento degli elettroni polarizzati.
Il meccanismo ricorda i due orologi a pendolo che Christiaan Huygens vide sincronizzarsi nel Seicento attraverso il supporto condiviso. Nel semiconduttore il collegamento passa invece attraverso la diffusione degli spin degli elettroni. Nel panorama delle tecnologie quantistiche, la nostra analisi del computer quantistico Shunkai racconta un'altra strada per trasformare i fenomeni quantistici in hardware.
Il gruppo ha misurato la sincronizzazione tra zone separate fino a 40 micrometri, una distanza oltre mille volte maggiore della dimensione caratteristica di un singolo oscillatore. Oltre tale intervallo, i cristalli temporali riprendono a oscillare indipendentemente. La soglia spaziale indica fin dove il trasporto di spin riesce a collegare gli oscillatori nel campione studiato e offre un parametro concreto per progettare esperimenti su reti più estese.
Per i futuri dispositivi, la possibilità da esplorare è far lavorare insieme molti oscillatori invece di controllarne uno alla volta: secondo i ricercatori, questo potrebbe aiutare lo sviluppo di reti di spin e componenti per la spintronica. Il risultato riguarda però un esperimento a temperatura criogenica e non dimostra ancora un dispositivo utilizzabile fuori dal laboratorio.
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