Физики из Технического университета Дортмунда под руководством доктора Алекса Грейлиха экспериментально исследовали реакцию временного кристалла на основе полупроводника на периодическое внешнее воздействие. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, демонстрируют богатый спектр нелинейных динамических явлений, впервые наблюдаемых в одном полупроводниковом устройстве.
Исследуемая система представляет собой высокостабильный временной кристалл на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). О создании этой системы сообщалось годом ранее в журнале Nature Physics. В первоначальном эксперименте непрерывное освещение лазером вызывало поляризацию ядерных спинов, что приводило к спонтанному возникновению колебаний — периодическому поведению при постоянном возбуждении, что и определяет систему как временной кристалл.
В текущем исследовании команда доктора Грейлиха применила иной подход: вместо непрерывного освещения полупроводниковый временной кристалл подвергался периодическому лазерному воздействию. Ключевым параметром эксперимента стала изменяемая частота этого периодического воздействия. Ученые наблюдали за частотной характеристикой, то есть поведением временного кристалла в ответ на изменение частоты внешнего привода.
Одним из ключевых наблюдений стала идеальная синхронизация колебаний кристалла с частотой внешнего воздействия. На диаграмме частотной характеристики это проявлялось в виде четких плато, указывающих на то, что система «захвачена» внешней частотой. Синхронизация происходила только при определенных долях собственной частоты колебаний кристалла. При увеличении частоты привода эти доли появлялись в последовательности, соответствующей структуре дерева Фарея — иерархической математической последовательности. Это первая экспериментальная реализация и наблюдение структуры дерева Фарея в кристалле.
При дальнейшем изменении частоты привода, когда система достигала конца диапазона синхронизации (края плато), наблюдался переходный процесс. Каждая частотная компонента расщеплялась как минимум на две симметричные ветви вокруг частоты синхронизации. Эти ветви соединяли соседние плато синхронизации, формируя структуру, известную как «лестница дьявола». Эта структура характеризуется уменьшением высоты и ширины ступеней с каждым шагом, указывая путь вверх или вниз по частотной диаграмме.
Разветвление частотных компонент приводило к образованию множества «лестниц дьявола» разной крутизны, которые в конечном итоге сходились. Это сложное взаимодействие вызывало хаотическое движение в системе. Хаос в данном контексте означает, что движение не является полностью непредсказуемым, но малейшие изменения начальных условий могут привести к совершенно разным траекториям и формам движения системы.
Однако хаотическое поведение не было конечным состоянием. При дальнейшем изменении частоты внешнего воздействия, пересекая определенный порог, хаос коллапсировал. Система возвращалась к регулярному, периодическому движению, демонстрируя переход от хаоса обратно к порядку под влиянием внешнего привода.
Впервые весь спектр наблюдаемых явлений — синхронизация по дереву Фарея, формирование «лестницы дьявола», хаотическое поведение и последующее возвращение к упорядоченному движению — был зафиксирован в полупроводниковой системе. Доктор Алекс Грейлих подчеркивает важность работы: «Это значительный шаг к всестороннему пониманию нелинейных систем».
Команда исследователей из Технического университета Дортмунда планирует продолжить изучение механизмов возникновения и эволюции сложных динамических состояний в нелинейных системах под действием внешнего периодического воздействия. Полученные фундаментальные знания могут способствовать разработке методов управления свойствами полупроводников, которые являются основой современной электроники. Нелинейные системы широко распространены и в природе, проявляясь в таких явлениях, как сердечные ритмы, синхронный полет стаи птиц или стрекотание сверчков.
Исследуемая система представляет собой высокостабильный временной кристалл на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). О создании этой системы сообщалось годом ранее в журнале Nature Physics. В первоначальном эксперименте непрерывное освещение лазером вызывало поляризацию ядерных спинов, что приводило к спонтанному возникновению колебаний — периодическому поведению при постоянном возбуждении, что и определяет систему как временной кристалл.
В текущем исследовании команда доктора Грейлиха применила иной подход: вместо непрерывного освещения полупроводниковый временной кристалл подвергался периодическому лазерному воздействию. Ключевым параметром эксперимента стала изменяемая частота этого периодического воздействия. Ученые наблюдали за частотной характеристикой, то есть поведением временного кристалла в ответ на изменение частоты внешнего привода.
Одним из ключевых наблюдений стала идеальная синхронизация колебаний кристалла с частотой внешнего воздействия. На диаграмме частотной характеристики это проявлялось в виде четких плато, указывающих на то, что система «захвачена» внешней частотой. Синхронизация происходила только при определенных долях собственной частоты колебаний кристалла. При увеличении частоты привода эти доли появлялись в последовательности, соответствующей структуре дерева Фарея — иерархической математической последовательности. Это первая экспериментальная реализация и наблюдение структуры дерева Фарея в кристалле.
При дальнейшем изменении частоты привода, когда система достигала конца диапазона синхронизации (края плато), наблюдался переходный процесс. Каждая частотная компонента расщеплялась как минимум на две симметричные ветви вокруг частоты синхронизации. Эти ветви соединяли соседние плато синхронизации, формируя структуру, известную как «лестница дьявола». Эта структура характеризуется уменьшением высоты и ширины ступеней с каждым шагом, указывая путь вверх или вниз по частотной диаграмме.
Разветвление частотных компонент приводило к образованию множества «лестниц дьявола» разной крутизны, которые в конечном итоге сходились. Это сложное взаимодействие вызывало хаотическое движение в системе. Хаос в данном контексте означает, что движение не является полностью непредсказуемым, но малейшие изменения начальных условий могут привести к совершенно разным траекториям и формам движения системы.
Однако хаотическое поведение не было конечным состоянием. При дальнейшем изменении частоты внешнего воздействия, пересекая определенный порог, хаос коллапсировал. Система возвращалась к регулярному, периодическому движению, демонстрируя переход от хаоса обратно к порядку под влиянием внешнего привода.
Впервые весь спектр наблюдаемых явлений — синхронизация по дереву Фарея, формирование «лестницы дьявола», хаотическое поведение и последующее возвращение к упорядоченному движению — был зафиксирован в полупроводниковой системе. Доктор Алекс Грейлих подчеркивает важность работы: «Это значительный шаг к всестороннему пониманию нелинейных систем».
Команда исследователей из Технического университета Дортмунда планирует продолжить изучение механизмов возникновения и эволюции сложных динамических состояний в нелинейных системах под действием внешнего периодического воздействия. Полученные фундаментальные знания могут способствовать разработке методов управления свойствами полупроводников, которые являются основой современной электроники. Нелинейные системы широко распространены и в природе, проявляясь в таких явлениях, как сердечные ритмы, синхронный полет стаи птиц или стрекотание сверчков.