A Bose-Einstein kondenzátumokat néha az anyag ötödik halmazállapotának nevezik. Csak egy laboratóriumban hozták létre, 1995-ben. Ugyanazt a kvantumállapotot tapasztalják – szinte olyan, mint a koherens fotonok egy lézerben –, és elkezdenek összetapadni, és ugyanazt a térfogatot foglalják el, mint egy megkülönböztethetetlen szuperatom.
Jelenleg a BEC-k továbbra is sok alapkutatás tárgyát képezik a kondenzált anyagrendszerek szimulálására, de elvileg van alkalmazásuk kvantum információ feldolgozás. A legtöbb BEC közönséges atomok híg gázaiból készül. De eddig még soha nem sikerült egzotikus atomokból álló BEC-t elérni.
A tudósok a Tokiói Egyetem meg akarta nézni, hogy tudnak-e BEC-t csinálni excitonokból. Kvázi részecskék felhasználásával létrehozták az elsőt Bose-Einstein kondenzátum — az anyag titokzatos „ötödik állapota”. A felfedezés várhatóan jelentős hatással lesz a kvantumtechnológiák fejlesztésére, beleértve kvantumszámítás.
A kombinált elektron-lyuk pár egy elektromosan semleges „kvázi részecske”, az úgynevezett an exciton. Az exciton kvázirészecskét egzotikus atomként is leírhatjuk, mivel valójában egy hidrogénatom, amelynek egyetlen pozitív protonját egyetlen pozitív lyuk helyettesítette.
A réz-oxid kristályt (piros kocka) a hígítóhűtő közepén lévő mintatartóra helyeztük. A kutatók ablakokat erősítettek a hűtőszekrény pajzsaira, amelyek négy irányban lehetővé tették az optikai hozzáférést a mintaterülethez. A kétirányú ablakok lehetővé tették a gerjesztő fény (narancssárga folytonos vonal) és a paraexcitonok lumineszcenciájának (sárga folytonos vonal) átvitelét a látható tartományban. A másik két irányban lévő ablakok lehetővé tették a szonda fényének (kék folytonos vonal) átvitelét az indukált abszorpciós képalkotáshoz. A beérkező hő csökkentése érdekében a kutatók gondosan megtervezték az ablakokat a numerikus nyílás minimalizálásával és egy speciális ablakanyag felhasználásával. Az ablakok speciális kialakítása és a kriogénmentes hígítású hűtőszekrény nagy hűtőteljesítménye lehetővé tette a 64 millikelvin minimális alaphőmérséklet elérését. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka és Makoto Kuwata-Gonokami, a Tokiói Egyetem
Makoto Kuwata-Gonokami, a Tokiói Egyetem fizikusa és a cikk társszerzője, mondott, „A háromdimenziós félvezetőben lévő exciton kondenzátum közvetlen megfigyelése nagyon keresett, mióta először elméletileg 1962-ben javasolták. Senki sem tudta, hogy a kvázirészecskék ugyanúgy átmennek-e Bose-Einstein kondenzáción, mint a valódi részecskék. Ez amolyan az alacsony hőmérsékletű fizika szent grálja.”
Meghosszabbított élettartamuk miatt a réz-oxidban (Cu2O), a réz és oxigén keverékében termelődő paraexcitonokat az egyik legígéretesebb lehetőségnek tartották az exciton BEC-ek tömeges előállítására. félvezető. Az 1990-es években kísérleteket tettek paraexciton BEC előállítására körülbelül 2 K folyékony hélium hőmérsékleten. Ennek ellenére kudarcot vallottak, mert sokkal alacsonyabb hőmérsékletre van szükség ahhoz, hogy excitonokból BEC-t állítsanak elő. Mivel túlságosan átmenetiek, az ortoexcitonok nem tudnak ilyen alacsony hőmérsékletet elérni. A kísérletekből azonban ismert, hogy a paraexcitonok élettartama nagyon hosszú, több mint néhány száz nanoszekundum, ami elegendő ahhoz, hogy a szükséges BEC hőmérsékletre hűtsék le őket.
A csapat egy hígító hűtőt, egy kriogén berendezést alkalmazott, amely két izotóp kombinálásával hűt. hélium és gyakran használják a tudósok, akik kvantumszámítógépeket próbálnak kifejleszteni, hogy a Cu2O többségében 400 millikelvin alatti paraexcitonokat csapdába ejtsenek. Ezután közép-infravörös indukált abszorpciós képalkotást alkalmaztak, egyfajta mikroszkópiát, amely az infravörös tartomány közepén lévő fényt használja, hogy közvetlenül megtekinthesse a BEC excitont a tényleges térben.
Ennek eredményeként a csapat pontos méréseket tudott elérni az exciton sűrűségről és hőmérsékletről, ami lehetővé tette számukra, hogy azonosítsák az exciton BEC és a hagyományos atomi BEC közötti különbségeket és hasonlóságokat.
A kutatók inhomogén feszültséget alkalmaztak a minta (piros kocka) alá állított lencse segítségével. Az inhomogén feszültség inhomogén deformációs mezőt eredményez, amely csapdapotenciálként működik az excitonok számára. A gerjesztő nyaláb (narancssárga folytonos vonal) a mintában lévő csapdapotenciál aljára fókuszált. Egy exciton (sárga gömb) egy elektronból (kék gömb) és egy lyukból (vörös gömb) áll. A csapat vagy lumineszcenciával (sárga árnyalat) vagy a szonda fényének differenciális áteresztésével (kék árnyalat) észlelte az excitonokat. A minta mögött elhelyezett objektív lencse gyűjtötte össze az excitonok lumineszcenciáját. A szonda nyalábja az objektívlencsén keresztül is terjedt. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka és Makoto Kuwata-Gonokami, Tokiói Egyetem
A tudósok tovább akarják vizsgálni a BEC exciton kialakulásának dinamikáját az ömlesztett félvezetőben, és vizsgálni kívánják a BEC excitonok kollektív gerjesztését. Végső céljuk egy exciton BEC-rendszeren alapuló platform felépítése annak kvantumtulajdonságainak további tisztázása és a környezetükhöz erősen kapcsolódó kvitek kvantummechanikájának jobb megértése érdekében.
Journal Reference:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka és Makoto Kuwata-Gonokami, „Excitonok Bose-Einstein kondenzátumainak megfigyelése ömlesztett félvezetőben” Nature Communications: 14. szeptember 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
