Bose-Einstein-kondensaatteja kuvataan joskus aineen viidenneksi tilaksi. Ne luotiin laboratoriossa vasta vuonna 1995. Ne kokevat saman kvanttitilan – melkein kuin koherentit fotonit laserissa – ja alkavat paakkuuntua ja vievät saman tilavuuden kuin yksi erottamaton superatomi.
Tällä hetkellä BEC:t ovat edelleen suuren perustutkimuksen kohteena kondensoituneiden aineiden järjestelmien simuloimiseksi, mutta periaatteessa niillä on sovelluksia mm. kvanttitietojen käsittely. Useimmat BEC:t on valmistettu tavallisten atomien laimeista kaasuista. Mutta toistaiseksi eksoottisista atomeista valmistettua BEC:tä ei ole koskaan saavutettu.
Tutkijat Tokion yliopisto halusivat nähdä, pystyisivätkö he tekemään BEC:n excitoneista. He ovat luoneet ensimmäisen kvasihiukkasten avulla Bose-Einstein-kondensaatti - aineen salaperäinen "viides tila". Löydön odotetaan vaikuttavan merkittävästi kvanttiteknologian kehitykseen, mukaan lukien kvanttilaskenta.
Yhdistetty elektroni-reikäpari on sähköisesti neutraali "kvasihiukkanen", jota kutsutaan nimellä exciton. Eksitoni-kvasihiukkasta voidaan myös kuvata eksoottiseksi atomiksi, koska se on itse asiassa vetyatomi, jonka yksi positiivinen protoni on korvattu yhdellä positiivisella reiällä.
Kuparioksidikide (punainen kuutio) asetettiin näytealustaan laimennusjääkaapin keskelle. Tutkijat kiinnittivät jääkaapin suojuksiin ikkunat, jotka mahdollistivat optisen pääsyn näytevaiheeseen neljään suuntaan. Ikkunat kahteen suuntaan mahdollistivat viritysvalon (oranssi yhtenäinen viiva) ja luminesenssin läpäisyn paraeksitoneista (keltainen yhtenäinen viiva) näkyvällä alueella. Kahdessa muussa suunnassa olevat ikkunat mahdollistivat anturin valon (sininen yhtenäinen viiva) läpäisyn indusoitua absorptiokuvausta varten. Tulevan lämmön vähentämiseksi tutkijat suunnittelivat ikkunat huolellisesti minimoimalla numeerisen aukon ja käyttämällä tiettyä ikkunamateriaalia. Tämä ikkunoiden erikoissuunnittelu ja kryogeenivapaan laimennusjääkaapin korkea jäähdytysteho mahdollistivat 64 millikelvinin vähimmäisperuslämpötilan saavuttamisen. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ja Makoto Kuwata-Gonokami, Tokion yliopisto
Makoto Kuwata-Gonokami, fyysikko Tokion yliopistosta ja paperin toinen kirjoittaja, sanoi, "Kolmiulotteisen puolijohteen eksitonikondensaatin suora havainnointi on ollut erittäin kysyttyä siitä lähtien, kun se esitettiin ensimmäisen kerran teoreettisesti vuonna 1962. Kukaan ei tiennyt, voisivatko kvasihiukkaset altistaa Bose-Einstein-kondensaatiolle samalla tavalla kuin todelliset hiukkaset. Se on eräänlainen matalan lämpötilan fysiikan pyhä malja."
Pidentyneen käyttöikänsä vuoksi kuparioksidissa (Cu2O), kuparin ja hapen seoksessa tuotettuja paraeksitoneja pidettiin yhtenä lupaavimmista mahdollisuuksista tuottaa eksitoni-BEC:itä irtotavarana. puolijohde. 1990-luvulla oli yritetty tuottaa paraeksitoni-BEC:tä nestemäisen heliumin lämpötilassa noin 2 K. Silti ne olivat epäonnistuneet, koska vaaditaan paljon alhaisempia lämpötiloja BEC:n tuottamiseksi eksitoneista. Koska ortoeksitonit ovat liian ohimeneviä, ne eivät voi saavuttaa niin alhaista lämpötilaa. Kokeista tiedetään kuitenkin, että paraeksitonien elinikä on erittäin pitkä, yli muutaman sadan nanosekunnin, mikä riittää jäähdyttämään ne tarvittavaan BEC:n lämpötilaan.
Ryhmä käytti laimennusjääkaappia, kryogeenistä laitetta, joka jäähdyttää yhdistämällä kaksi isotooppia helium ja sitä käyttävät usein tutkijat, jotka yrittävät kehittää kvanttitietokoneita paraeksitonien vangitsemiseksi suurimmassa osassa Cu2O:ta alle 400 millikelvinissä. Sitten he käyttivät keski-infrapuna-indusoitua absorptiokuvausta, eräänlaista mikroskooppia, joka käyttää valoa infrapuna-alueen keskellä, nähdäkseen suoraan eksitonin BEC:n todellisessa avaruudessa.
Tämän seurauksena ryhmä saattoi saada tarkat mittaukset eksitonitiheydestä ja lämpötilasta, mikä antoi heille mahdollisuuden tunnistaa eroja ja yhtäläisyyksiä eksitoni-BEC:n ja tavanomaisen atomi-BEC:n välillä.
Tutkijat käyttivät epähomogeenista jännitystä käyttämällä näytteen alle asetettua linssiä (punainen kuutio). Epähomogeeninen jännitys johtaa epähomogeeniseen jännityskenttään, joka toimii eksitonien ansapotentiaalina. Herätyssäde (oranssi yhtenäinen viiva) fokusoitiin näytteen loukkupotentiaalin pohjalle. Eksitoni (keltainen pallo) koostuu yhdestä elektronista (sininen pallo) ja yhdestä reiästä (punainen pallo). Ryhmä havaitsi eksitonit joko luminesenssilla (keltainen sävy) tai anturin valon differentiaalisella läpäisyllä (sininen sävy). Näytteen taakse asetettu objektiivilinssi keräsi luminesenssia eksitoneista. Anturin säde eteni myös objektiivin läpi. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ja Makoto Kuwata-Gonokami, Tokion yliopisto
Tutkijat haluavat edelleen tutkia dynamiikkaa, kuinka eksitoni BEC muodostuu bulkkipuolijohteessa, ja tutkia eksitoni-BEC:iden kollektiivisia viritteitä. Heidän perimmäisenä tavoitteenaan on rakentaa alusta, joka perustuu eksitoni-BEC-järjestelmään sen kvanttiominaisuuksien selvittämiseksi edelleen ja kehittääkseen parempaa ymmärrystä niiden kubittien kvanttimekaniikasta, jotka ovat vahvasti yhteydessä ympäristöönsä.
Lehden viite:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ja Makoto Kuwata-Gonokami, "Observation of Bose-Einstein kondensaattien eksitonit massapuolijohteessa", Luonto Viestintä: 14. syyskuuta 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
