توصف مكثفات بوز-آينشتاين أحيانًا بالحالة الخامسة للمادة. لقد تم إنشاؤها في المختبر مؤخرًا فقط في عام 1995. إنهم يختبرون نفس الحالة الكمومية - تقريبًا مثل الفوتونات المتماسكة في الليزر - ويبدأون في التكتل معًا ، ويشغلون نفس الحجم مثل ذرة عظمى واحدة لا يمكن تمييزها.
حاليًا ، تظل BECs موضوعًا للكثير من الأبحاث الأساسية لمحاكاة أنظمة المادة المكثفة ، ولكن من حيث المبدأ ، لها تطبيقات في معالجة المعلومات الكمومية. يتم تصنيع معظم BECs من الغازات المخففة للذرات العادية. ولكن حتى الآن ، لم يتم تحقيق BEC المكون من ذرات غريبة.
العلماء من جامعة طوكيو أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء BEC من الأكسيتونات. باستخدام أشباه الجسيمات ، قاموا بإنشاء الأول مكثفات Bose-Einstein - "الحالة الخامسة" الغامضة للمادة. من المقرر أن تؤثر النتائج بشكل كبير على تطوير تقنيات الكم ، بما في ذلك الاحصاء الكمية.
زوج ثقب الإلكترون المركب عبارة عن "شبه جسيم" محايد كهربائيًا يسمى an اكسيتون. يمكن أيضًا وصف جسيم الإكسيتون بأنه ذرة غريبة لأنه ، في الواقع ، ذرة هيدروجين تم استبدال بروتونها الإيجابي الوحيد بفتحة واحدة موجبة.
تم وضع بلورة أكسيد النحاس (المكعب الأحمر) على مرحلة العينة في وسط ثلاجة التخفيف. قام الباحثون بتثبيت نوافذ على دروع الثلاجة مما سمح بالوصول البصري إلى مرحلة العينة في أربعة اتجاهات. تسمح النوافذ في اتجاهين بنقل ضوء الإثارة (الخط الصلب البرتقالي) والتألق من باراكسكيتونات (الخط الأصفر الصلب) في المنطقة المرئية. تسمح النوافذ في الاتجاهين الآخرين بنقل ضوء المسبار (الخط الصلب الأزرق) لتصوير الامتصاص المستحث. لتقليل الحرارة الواردة ، صمم الباحثون النوافذ بعناية عن طريق تقليل الفتحة العددية واستخدام مادة نافذة معينة. سهّل هذا التصميم المتخصص للنوافذ وقوة التبريد العالية للثلاجة المخففة الخالية من المبردات تحقيق درجة حرارة أساسية لا تقل عن 64 ملي كلفن. © 2022 Yusuke Morita و Kosuke Yoshioka و Makoto Kuwata-Gonokami ، جامعة طوكيو
ماكوتو كواتا جونوكامي ، عالم فيزياء بجامعة طوكيو ومؤلف مشارك للورقة البحثية ، محمد, "لقد تم السعي بشدة إلى المراقبة المباشرة لتكثيف الإكسيتون في أشباه الموصلات ثلاثية الأبعاد منذ أن تم اقتراحها نظريًا لأول مرة في عام 1962. لم يكن أحد يعرف ما إذا كانت أشباه الجسيمات يمكن أن تخضع لتكثيف بوز-آينشتاين بنفس طريقة الجسيمات الحقيقية. إنه نوع من الكأس المقدسة لفيزياء درجات الحرارة المنخفضة ".
نظرًا لعمرها الطويل ، فإن الباركسيتون المُنتَج في أكسيد النحاس (Cu2O) ، وهو خليط من النحاس والأكسجين ، يُنظر إليه على أنه أحد أكثر الاحتمالات الواعدة لتوليد إكسيتون BECs بكميات كبيرة. أشباه الموصلات. في التسعينيات ، تم إجراء محاولات لإنتاج باراكسيتون BEC عند درجات حرارة هيليوم سائل تبلغ حوالي 1990 كلفن. ومع ذلك ، فقد فشلوا بسبب الحاجة إلى درجات حرارة أقل بكثير لإنتاج BEC من الإكسيتونات. نظرًا لأنها عابرة جدًا ، لا تستطيع تقويم العظام الوصول إلى درجة حرارة منخفضة. ومع ذلك ، فمن المعروف من التجارب أن للباراكسسيتونات عمر طويل جدًا يزيد عن بضع مئات من النانو ثانية ، وهو ما يكفي لتبريدها إلى درجة الحرارة اللازمة لـ BEC.
استخدم الفريق ثلاجة مخففة ، وهي جهاز مبرد يبرد عن طريق الجمع بين نظيرين من الهليوم وكثيرا ما يستخدمه العلماء الذين يحاولون تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لاحتجاز باراإكسيتون في غالبية Cu2O أقل من 400 ملي كلفن. بعد ذلك ، استخدموا التصوير بالامتصاص المستحث بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، وهو نوع من الفحص المجهري يستخدم الضوء في منتصف نطاق الأشعة تحت الحمراء ، لعرض الإكسيتون BEC مباشرةً في الفضاء الفعلي.
نتيجة لذلك ، تمكن الفريق من الحصول على قياسات دقيقة لكثافة الإكسيتون ودرجة الحرارة ، مما سمح لهم بتحديد الاختلافات والتشابهات بين إكسيتون BEC و BEC الذري التقليدي.
قام الباحثون بتطبيق إجهاد غير متجانس باستخدام مجموعة عدسة أسفل العينة (المكعب الأحمر). ينتج عن الإجهاد غير المتجانس مجال إجهاد غير متجانس يعمل كمصيدة محتملة للإكسيتونات. ركز شعاع الإثارة (الخط الصلب البرتقالي) على قاع إمكانية المصيدة في العينة. يتكون الإكسيتون (الكرة الصفراء) من إلكترون واحد (كرة زرقاء) وثقب واحد (كرة حمراء). اكتشف الفريق الإكسيتونات إما عن طريق التلألؤ (الظل الأصفر) أو الانتقال التفاضلي لضوء المسبار (الظل الأزرق). عدسة موضوعية موضوعة خلف العينة جمعت التلألؤ من الإكسيتونات. كما انتشر شعاع المسبار من خلال العدسة الشيئية. © 2022 Yusuke Morita و Kosuke Yoshioka و Makoto Kuwata-Gonokami ، جامعة طوكيو
يريد العلماء أيضًا التحقيق في ديناميكيات كيفية تشكل إكسيتون BEC في أشباه الموصلات السائبة والتحقيق في الإثارة الجماعية لـ exciton BECs. يتمثل هدفهم النهائي في بناء منصة تعتمد على نظام exciton BECs لزيادة توضيح خصائصها الكمية وتطوير فهم أفضل لميكانيكا الكم للكيوبتات المرتبطة بقوة ببيئتها.
المرجع مجلة:
- Yusuke Morita و Kosuke Yoshioka و Makoto Kuwata-Gonokami ، "مراقبة مكثفات Bose-Einstein من الإكسيتونات في أشباه الموصلات السائبة ،" طبيعة الاتصالات: 14 سبتمبر 2022. 10.1038/s41467-022-33103-4
