科学者は最初の準粒子ボース・アインシュタイン凝縮体を作成しました

ボーズ・アインシュタイン凝縮は、物質の第 1995 状態として説明されることがあります。 それらは XNUMX 年に研究室で作成されたばかりです。それらは同じ量子状態 (レーザーのコヒーレント光子とほぼ同じ) を経験し、凝集し始め、見分けがつかない XNUMX つの超原子と同じ体積を占めます。

現在、BEC は凝縮系をシミュレートするための多くの基礎研究の対象のままですが、原則として、BEC は次の分野に応用されています。 量子情報処理. ほとんどの BEC は、通常の原子の希釈ガスから製造されます。 しかし、これまで、エキゾチックな原子から作られた BEC は達成されていません。

科学者たちは 東京大学 彼らが励起子からBECを作ることができるかどうかを見たかった. 準粒子を使用して、彼らは最初の ボーズ・アインシュタイン凝縮 — 物質の神秘的な「第 XNUMX の状態」。 この発見は、以下を含む量子技術の開発に大きな影響を与えるように設定されています。 量子コンピューティング.

組み合わされた電子正孔ペアは、電気的に中性の「準粒子」と呼ばれます。 励起子. 励起子準粒子は、事実上、単一の正の陽子が単一の正孔に置き換えられた水素原子であるため、エキゾチックな原子として説明することもできます。

東京大学の物理学者で論文の共著者である桑田五神真氏は、 と, 「1962年に最初に理論的に提案されて以来、XNUMX次元半導体中の励起子凝縮の直接観察は非常に求められてきました。準粒子が実際の粒子と同じようにボーズ・アインシュタイン凝縮を起こすことができるかどうかは誰も知りませんでした。 それは低温物理学の聖杯のようなものです。」

寿命が長いため、銅と酸素の混合物である酸化第一銅 (Cu2O) で生成される準励起子は、励起子 BEC を大量に生成する最も有望な可能性の XNUMX つと見なされていました。 半導体. 1990 年代には、約 2 K の液体ヘリウム温度で準励起子 BEC を生成する試みが行われました。 それでも、励起子から BEC を生成するにははるかに低い温度が必要なため、失敗に終わりました。 オルト励起子は過渡的すぎるため、そのような低温に達することができません。 しかし、パラ励起子は数百ナノ秒を超える非常に長い寿命を持ち、BEC に必要な温度まで冷却するのに十分であることが実験から知られています。

チームは、XNUMX つの同位体を組み合わせて冷却する極低温装置である希釈冷凍機を採用しました。 ヘリウム 2 ミリケルビン未満の Cu400O の大部分に準励起子をトラップするために、量子コンピューターを開発しようとしている科学者によって頻繁に使用されます。 次に、彼らは、中赤外域の光を使用する一種の顕微鏡法である中赤外誘起吸収イメージングを使用して、実際の空間で励起子 BEC を直接観察しました。

その結果、チームは励起子密度と温度の正確な測定値を得ることができ、励起子 BEC と従来の原子 BEC との相違点と類似点を特定することができました。

科学者はさらに、励起子 BEC がバルク半導体でどのように形成されるかのダイナミクスを調査し、励起子 BEC の集団励起を調査したいと考えています。 彼らの最終的な目標は、励起子 BEC のシステムに基づいてプラットフォームを構築し、その量子特性をさらに解明し、環境に強く結合している量子ビットの量子力学の理解を深めることです。

ジャーナルリファレンス：

1. 森田雄介、吉岡浩介、桑田五神真、「バルク半導体における励起子のボース・アインシュタイン凝縮体の観測」、 ネイチャー·コミュニケーションズ: 14 年 2022 月 XNUMX 日。DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4