1717170975
2024-05-31 15:34:40
この記事はサイエンスXの 編集プロセス
そして ポリシー。
編集者 コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。
事実確認済み
査読付き出版物
校正する
わかりました！
アイミア・ブルエン著、ポール・ドルードソリッドステートエレクトロニクス研究所
実験装置の概略図。出典：Science (2024)。DOI: 10.1126/science.adn7087
× 閉じる
実験装置の概略図。出典：Science (2024)。DOI: 10.1126/science.adn7087
研究者らは、マイクロスケールの半導体チップ上の時間結晶が毎秒数十億回の速度で振動するのを初めて観察し、GHz範囲での非常に高い非線形ダイナミクスを明らかにした。
実験の結果、 サイエンス誌に掲載ドイツのベルリンにあるパウル・ドルーデ固体電子研究所（PDI）とアルゼンチンに拠点を置くバリローチェ原子核研究所およびバルセイロ研究所（CAB-IB）の研究者らは、この研究により、これまで相関がなかった非線形励起子-ポラリトン動力学の領域とGHz周波数におけるコヒーレント光力学との間に確固たるつながりが確立されたと述べている。
この研究は、コヒーレントな光物質凝縮体のトラップとして機能する高品質の半導体ベースのサンプルを使用して実施されました。
PDIで設計・製造されたこのサンプルは、超高真空条件下で1原子厚の半導体材料の層を積み重ねて作成され、最終的に数百万の電子を閉じ込める能力を持つミクロンサイズの「ボックス」を形成しました。 量子粒子その後、テストのために CAB-IB に移送されました。
CAB-IB チームがサンプルに時間に依存しない（つまり連続的な）レーザーを照射したところ、サンプルに含まれる粒子が GHz 周波数（1 秒間に 10 億回）で振動し始めたことが観察されました。
半導体デバイス上の凝縮サンプルでこの範囲の持続的な振動が観測されたのはこれが初めてです。
研究者らはまた、レーザーの光出力によって振動を微調整することができ、半導体原子格子の20GHzの機械的振動を人工的に作り出すことで周波数の自由な変化を安定化できる可能性があることも発見した。
研究者たちは、理論に従って、レーザー出力をさらに増加させると、粒子が機械的振動の周波数のちょうど半分で振動することを発見した。
「この動作は時間結晶のさまざまな現れとして解釈できる」とPDIの科学者アレクサンダー・クズネツォフ氏は語った。
「実証された結果は、開放型多体系量子システムの物理学に新たな次元を追加し、これまでよりも数桁高い周波数を可能にし、半導体プラットフォーム上の魅力的な時間結晶につながる新たなダイナミクスを制御する新しい方法を提示します。」
タイムクリスタルとは何ですか?
ノーベル賞を受賞した物理学者フランク・ウィルチェクが10年以上前に初めて理論を提唱して以来、研究者たちは、最も安定した量子状態では時間とともに周期的に変化する励起子、光子、ポラリトンなどの粒子と準粒子で構成される多体系である、捉えどころのない「時間結晶」の探求を続けてきた。
ウィルチェクの理論は、次のような不可解な疑問を中心に展開しました。「多数の粒子からなる量子システムの最も安定した状態は、時間的に周期的であり得るか？」つまり、明確なリズムによる鼓動を特徴とする時間的振動を示すことができるか？
時間結晶の挙動は孤立系（周囲の環境とエネルギーを交換しない系）では起こり得ないことが、すぐに明らかになりました。しかし、この厄介な疑問は、この問題に終止符を打つどころか、開放系（つまり、周囲の環境とエネルギーを交換する系）がそのような時間結晶の挙動を発現する条件を研究する動機を科学者に与えました。
時間結晶はこれまで、平衡状態から外れたシステムで何度か観測されているが、その内部ダイナミクスは科学者の現在の理解をほぼ超えており、その潜在的な用途は実践というより理論の領域にとどまっているなど、未解明の部分が多い。
「この研究は、時間結晶へのアプローチにパラダイムシフトをもたらし、局所的な時間結晶の任意の大規模配列（格子）にまで研究を拡張し、それらの相互作用と同期を研究する可能性を提示している」と、CAB-IBチームを率いた上級研究員兼教授のアレハンドロ・ファインスタイン氏は述べた。
「これにより、量子材料の特異な挙動を明らかにすることができました。関係する材料は集積光子デバイスと互換性のある半導体であり、表示される周波数は古典的および量子情報技術の両方に関連しているため、量子レベルでの光子から無線周波数への変換を含むアプリケーションのためにこれらの挙動を制御しようとするさらなる段階を構想しています。」
潜在的な用途
研究チームによれば、この実験は、集積フォトニクスやマイクロ波フォトニクスにおける時間結晶の利用の可能性を示しているという。
「GHzフォノンと近赤外光子間のポラリトン強化結合により、この結果はマイクロ波と光周波数間の（量子）変換への応用の可能性を秘めている」とPDIの上級科学者、パウロ・ベンチュラ・サントス氏は語った。
半導体ベースの非線形光電子システム（光エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換できるデバイス）は、オンチップフォトニクスにおける潜在的な応用が特に注目されています。しかし、その電子的および光学的特性を決定する多体複合体（時間結晶など）のため、研究が非常に難しいことで知られています。
「これらの明確に定義された体制をより深く理解することは、 多体系「PDI/CAB-IB チームが特定を支援したようなシステムは、こうした内部ダイナミクスの解明に役立ち、ひいては、アプリケーション向けにこうしたシステムを制御および活用する方法の開発にも役立ちます」と、CAB-IB チームの理論リーダーである Gonzalo Usaj 氏は述べています。
詳しくは：
I. Carraro-Haddad 他「機械式時計を内蔵したポラリトン凝縮体の固体連続時間結晶」、Science (2024)。 DOI: 10.1126/science.adn7087
ジャーナル情報:
科学
ポール・ドルード固体エレクトロニクス研究所提供
#半導体光子デバイスを備えたオンチップGHz時間結晶が新しい物理学と光電子工学の応用への道を開く