Paholaisen askelmat aikakiteessä

TU Dortmundin yliopiston fyysikot ovat ajaneet ajoittain aikakidettä ja löytäneet huomattavan määrän epälineaarisia dynaamisia ilmiöitä, jotka vaihtelevat täydellisestä synkronoinnista kaoottiseen käyttäytymiseen yhden puolijohderakenteen sisällä.

Tohtori Alex Greilichin ryhmä käytti erittäin vankkaa Indiumgalliumarsenidista valmistettua aikakidettä, joka esiteltiin heidän aiemmassa työssään. Kidettä valaistiin tuolloin jatkuvasti laserilla. Vuorovaikutus aiheutti ydinspinin polarisaation, joka puolestaan synnytti spontaanisti värähtelyjä, jotka ilmentävät aikakiteen olemusta jaksollisen käyttäytymisen kautta.

Nyt julkaistussa seurantatutkimuksessa ryhmä tutki aikakiteen dynaamisia vaiheita. Ne valaisivat puolijohdetta säännöllisin väliajoin jatkuvan valaisun sijasta, samalla kun ne vaihtelivat jaksollisen käytön taajuutta. Aikakiteen havaittu käyttäytyminen, sen taajuusvaste, vaihteli täydellisestä synkronoinnista kaoottiseen dynamiikkaan.

Kaavio paljastaa nämä dynaamiset ilmiöt selvästi: näkyvät tasangot osoittavat, että järjestelmän taajuusvaste on tiukasti sidottu käyttötaajuuteen. Synkronointi tapahtuu kuitenkin vain tietyillä murto-osilla järjestelmän ominaistaajuudesta. Nämä fraktiot, esiintymisjärjestyksessä kasvavalla käyttötaajuudella, vastaavat "Farey-puusekvenssiä", hyvin tunnettua hierarkkista rakennetta, joka on näin toteutettu kiteeseen ensimmäistä kertaa.

Jos ajotaajuutta muutetaan edelleen, saavutetaan synkronointialueen loppu. Tässä kukin taajuuskomponentti jakautuu ainakin kahdeksi haaraksi, jotka ovat symmetrisiä tahdistustaajuudelle.

Nämä taajuushaarat yhdistävät synkronointitasangot ja muodostavat yhdessä eräänlaisen portaikon, joka tunnetaan kirjallisuudessa "paholaisen portaikkona", joka osoittaa polun joko ylös tai alas. Sekä askelman korkeus että leveys pienenevät joka askeleella.

Tämä haarautuminen johtaa useisiin vaihtelevan jyrkkyyden omaaviin portaikkoihin, jotka lopulta yhtyvät, mikä johtaa kaoottiseen liikkeeseen. Kaaos ei tässä tarkoita sitä, että liike muuttuu täysin arvaamattomaksi, vaan sitä, että pienimmätkin muutokset voivat johtaa täysin erilaisiin liikemuotoihin. Jos ajotaajuutta muutetaan entisestään, ylitetään kynnys, jonka jälkeen kaaos romahtaa ja liikkeestä tulee jälleen säännöllistä ja jaksollista.

"Ensimmäistä kertaa kaikki nämä havainnot on tehty puolijohteessa. Ne edustavat merkittävää askelta kohti epälineaaristen järjestelmien kokonaisvaltaista ymmärtämistä", sanoo tohtori Alex Greilich.

Jatkossa hänen tiiminsä jatkaa tutkimista, kuinka monimutkaiset dynaamiset tilat epälineaarisissa järjestelmissä syntyvät ja kehittyvät ulkoisen jaksollisen ajon vaikutuksesta.

Nämä perustutkimustulokset voivat auttaa räätälöimään puolijohteiden ominaisuuksia, jotka ovat välttämättömiä nykyaikaiselle elektroniikalle.

Epälineaariset järjestelmät ovat kaikkialla läsnä myös biologiassa esimerkiksi sellaisissa ilmiöissä kuin sydämenlyönnit, lintujen järjestäytynyt lento tai sirkat.

Aiheesta aiemmin:

Käyttökelpoisia aikakiteitä

Sirutason GHz:n aikakiteitä puolijohteisilla fotonirakenteilla

Pikofotoniikan synty: Kohti aikakidemateriaaleja