Bose-Einstein-condensaten worden soms beschreven als de vijfde toestand van materie. Ze zijn pas in 1995 in een laboratorium gemaakt. Ze ervaren dezelfde kwantumtoestand - bijna als coherente fotonen in een laser - en beginnen samen te klonteren, waarbij ze hetzelfde volume innemen als een niet te onderscheiden superatoom.
Momenteel blijven BEC's het onderwerp van veel fundamenteel onderzoek voor het simuleren van systemen van gecondenseerde materie, maar in principe hebben ze toepassingen in quantum-informatieverwerking. De meeste BEC's zijn vervaardigd uit verdunde gassen van gewone atomen. Maar tot nu toe is er nooit een BEC gemaakt van exotische atomen bereikt.
Wetenschappers uit de Universiteit van Tokyo wilden zien of ze een BEC konden maken van excitonen. Met behulp van quasideeltjes hebben ze de eerste Bose-Einstein-condensaat – de mysterieuze ‘vijfde toestand’ van de materie. De bevinding zal een aanzienlijke invloed hebben op de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, waaronder: quantum computing.
Gecombineerd elektron-gatpaar is een elektrisch neutraal "quasideeltje" genaamd an opwinding. Het quasideeltje van het exciton kan ook worden omschreven als een exotisch atoom, omdat het in feite een waterstofatoom is waarvan het enkele positieve proton is vervangen door een enkel positief gat.
Het koperoxidekristal (rode kubus) werd op een monstertafel in het midden van de verdunningskoelkast geplaatst. Onderzoekers bevestigden ramen aan de schilden van de koelkast die optische toegang tot het monsterstadium in vier richtingen mogelijk maakten. De vensters in twee richtingen lieten transmissie van het excitatielicht (oranje ononderbroken lijn) en luminescentie van para-excitons (gele ononderbroken lijn) in het zichtbare gebied toe. De vensters in de andere twee richtingen maakten transmissie van het sondelicht (blauwe ononderbroken lijn) mogelijk voor geïnduceerde absorptiebeeldvorming. Om de binnenkomende warmte te verminderen, hebben onderzoekers de vensters zorgvuldig ontworpen door de numerieke opening te minimaliseren en een specifiek venstermateriaal te gebruiken. Dit gespecialiseerde ontwerp voor de ramen en het hoge koelvermogen van de cryogeenvrije verdunningskoelkast maakten het mogelijk om een minimale basistemperatuur van 64 millikelvin te realiseren. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, de Universiteit van Tokio
Makoto Kuwata-Gonokami, een natuurkundige aan de Universiteit van Tokyo en co-auteur van het artikel, zei, “Directe waarneming van een excitoncondensaat in een driedimensionale halfgeleider is zeer gewild sinds het voor het eerst theoretisch werd voorgesteld in 1962. Niemand wist of quasideeltjes Bose-Einstein-condensatie op dezelfde manier konden ondergaan als echte deeltjes. Het is een soort heilige graal van de lagetemperatuurfysica.”
Vanwege hun verlengde levensduur werden de para-excitons geproduceerd in cupro-oxide (Cu2O), een mengsel van koper en zuurstof, beschouwd als een van de meest veelbelovende mogelijkheden voor het genereren van exciton-BEC's in een bulk halfgeleider. In de jaren negentig waren pogingen ondernomen om para-exciton BEC te produceren bij vloeibare heliumtemperaturen van ongeveer 1990 K. Toch hadden ze gefaald omdat veel lagere temperaturen nodig zijn om een BEC uit excitonen te produceren. Omdat ze te vergankelijk zijn, kunnen ortho-excitons zo'n lage temperatuur niet bereiken. Uit experimenten is echter bekend dat para-excitons een zeer lange levensduur hebben van meer dan een paar honderd nanoseconden, wat voldoende is om ze af te koelen tot de noodzakelijke temperatuur van een BEC.
Het team gebruikte een verdunningskoelkast, een cryogeen apparaat dat afkoelt door twee isotopen van helium en wordt vaak gebruikt door wetenschappers die kwantumcomputers proberen te ontwikkelen, om para-excitonen op te vangen in het grootste deel van Cu2O onder 400 millikelvin. Vervolgens gebruikten ze mid-infrarood geïnduceerde absorptiebeeldvorming, een soort microscopie die gebruikmaakt van licht in het midden van het infraroodbereik, om het exciton BEC direct in de werkelijke ruimte te bekijken.
Als gevolg hiervan kon het team nauwkeurige metingen van de excitondichtheid en temperatuur verkrijgen, waardoor ze verschillen en overeenkomsten tussen exciton BEC en conventionele atomaire BEC konden identificeren.
Onderzoekers pasten inhomogene spanning toe met behulp van een lens die onder het monster was geplaatst (rode kubus). De inhomogene spanning resulteert in een inhomogeen spanningsveld dat fungeert als een valpotentiaal voor excitonen. De excitatiestraal (oranje ononderbroken lijn) was gericht op de onderkant van de valpotentiaal in het monster. Een exciton (gele bol) bestaat uit één elektron (blauwe bol) en één gat (rode bol). Het team detecteerde excitonen door ofwel luminescentie (gele tint) of de differentiële transmissie van het sondelicht (blauwe tint). Een objectieflens achter het monster verzamelde luminescentie van excitonen. De sondestraal plantte zich ook door de objectieflens voort. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, de Universiteit van Tokio
Wetenschappers willen verder de dynamiek onderzoeken van hoe het exciton BEC zich vormt in de bulkhalfgeleider en de collectieve excitaties van exciton-BEC's onderzoeken. Hun uiteindelijke doel is om een platform te bouwen op basis van een systeem van exciton BEC's om de kwantumeigenschappen ervan verder op te helderen en een beter begrip te ontwikkelen van de kwantummechanica van qubits die sterk gekoppeld zijn aan hun omgeving.
Journal Reference:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, "Observatie van Bose-Einstein-condensaten van excitonen in een bulkhalfgeleider", Nature Communications: 14 september 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
