Les physiciens de l'Université de Tu Dortmund ont périodiquement entraîné un cristal de temps et ont découvert une variété remarquable de phénomènes dynamiques non linéaires, allant de la synchronisation parfaite au comportement chaotique dans une seule structure semi-conductrice. L'équipe a maintenant publié ses dernières découvertes dans le journal Communications de la nature.
Pour leurs recherches actuelles, l'équipe du Dr Alex Greilich du Département de physique a utilisé un cristal de temps très robuste, précédemment introduit dans Physique de la nature l'année dernière. Le cristal, en arséniure d'indium gallium, a été continuellement éclairé avec un laser au cours de l'expérience initiale. Cette interaction a provoqué une polarisation de spin nucléaire, qui à son tour a généré spontanément des oscillations, incarnant l'essence d'un cristal de temps par un comportement périodique sous une excitation constante.
Dans l'étude de suivi nouvellement publiée, l'équipe a exploré les phases dynamiques du Crystal Time. Ils ont illuminé périodiquement le semi-conducteur au lieu de continu, tout en faisant varier la fréquence de l'entraînement périodique. Le comportement observé du cristal de temps, sa réponse en fréquence, variait de la synchronisation parfaite à la dynamique chaotique.
Un diagramme révèle clairement ces phénomènes dynamiques: les plateaux visibles indiquent que la réponse en fréquence du système est strictement liée à la fréquence d'entraînement. Cependant, la synchronisation ne se produit qu'à des fractions spécifiques de la fréquence naturelle du système. Ces fractions, par ordre d'apparence avec une fréquence d'entraînement croissante, correspondent à la «séquence d'arbre tarey», une structure hiérarchique bien connue mise en œuvre dans un cristal pour la première fois.
Si la fréquence de conduite varie davantage, la fin de la plage de synchronisation est atteinte. Ici, chaque composant de fréquence se divise en au moins deux branches symétriques à la fréquence de synchronisation. Ces branches de fréquence relient les plateaux de synchronisation et forment ensemble une sorte d'escalier, connu dans la littérature sous le nom de «l'escalier du diable», indiquant un chemin vers le haut ou vers le bas.
La hauteur de pas et la largeur diminuent à chaque étape. Cette branche conduit à plusieurs escaliers de raideur variable, qui finit par converger, entraînant un mouvement chaotique. Le chaos ici ne signifie pas que le mouvement devient entièrement imprévisible, mais plutôt que les moindres changements peuvent conduire à des formes de mouvement complètement différentes. Si la fréquence de conduite est encore plus modifiée, un seuil est franchi au-delà duquel le chaos s'effondre, et le mouvement redevient régulier et périodique.
« Pour la première fois, toutes ces observations ont été faites dans un semi-conducteur. Ils représentent une étape importante vers une compréhension complète des systèmes non linéaires », explique le Dr Alex Greilich.
À l'avenir, son équipe continuera de rechercher à quel point les états dynamiques complexes dans les systèmes non linéaires se produisent et évoluent sous une conduite périodique externe. Ces résultats de recherche fondamentaux pourraient aider à adapter les propriétés des semi-conducteurs, qui sont essentiels pour l'électronique moderne.
Les systèmes non linéaires sont également omniprésents en biologie. Par exemple, dans des phénomènes tels que les battements cardiaques, la fuite organisée des oiseaux ou le gazouillis de grillons.
