Os condensados de Bose-Einstein são às vezes descritos como o quinto estado da matéria. Eles só foram criados em um laboratório em 1995. Eles experimentam o mesmo estado quântico - quase como fótons coerentes em um laser - e começam a se aglomerar, ocupando o mesmo volume de um superátomo indistinguível.
Atualmente, os BECs continuam sendo objeto de muitas pesquisas básicas para simulação de sistemas de matéria condensada, mas, em princípio, têm aplicações em processamento de informação quântica. A maioria dos BECs são fabricados a partir de gases diluídos de átomos comuns. Mas até agora, um BEC feito de átomos exóticos nunca foi alcançado.
Cientistas da Universidade de Tóquio queria ver se eles poderiam fazer um BEC de excitons. Usando quasipartículas, eles criaram o primeiro Condensado de Bose-Einstein – o misterioso “quinto estado” da matéria. A descoberta deve impactar significativamente o desenvolvimento de tecnologias quânticas, incluindo Computação quântica.
O par elétron-buraco combinado é uma “quasipartícula” eletricamente neutra chamada excitação. A quasipartícula do éxciton também pode ser descrita como um átomo exótico porque é, na verdade, um átomo de hidrogênio que teve seu único próton positivo substituído por um único buraco positivo.
O cristal de óxido cuproso (cubo vermelho) foi colocado em um estágio de amostra no centro do refrigerador de diluição. Os pesquisadores anexaram janelas às blindagens da geladeira que permitiam acesso óptico ao estágio de amostra em quatro direções. As janelas em duas direções permitiram a transmissão da luz de excitação (linha sólida laranja) e luminescência dos paraexcitons (linha sólida amarela) na região do visível. As janelas nas outras duas direções permitiram a transmissão da luz da sonda (linha sólida azul) para imagens de absorção induzida. Para reduzir o calor recebido, os pesquisadores projetaram cuidadosamente as janelas, minimizando a abertura numérica e usando um material de janela específico. Este design especializado para as janelas e o alto poder de resfriamento do refrigerador de diluição sem criogenia facilitaram a realização de uma temperatura base mínima de 64 milikelvin. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka e Makoto Kuwata-Gonokami, Universidade de Tóquio
Makoto Kuwata-Gonokami, físico da Universidade de Tóquio e coautor do artigo, dito, “A observação direta de um condensado de éxciton em um semicondutor tridimensional tem sido muito procurada desde que foi proposta teoricamente pela primeira vez em 1962. Ninguém sabia se as quasipartículas poderiam sofrer condensação de Bose-Einstein da mesma forma que as partículas reais. É uma espécie de santo graal da física de baixa temperatura.”
Por causa de sua vida útil prolongada, os paraexcitons produzidos em óxido cuproso (Cu2O), uma mistura de cobre e oxigênio, foram considerados uma das possibilidades mais promissoras para a geração de BECs de éxciton em massa. Semicondutor. Na década de 1990, foram feitas tentativas de produzir paraexciton BEC em temperaturas de hélio líquido de cerca de 2 K. Ainda assim, eles falharam porque temperaturas muito mais baixas são necessárias para produzir um BEC de excitons. Por serem muito transitórios, os ortoexcitons não podem atingir uma temperatura tão baixa. No entanto, sabe-se a partir de experimentos que os paraexcitons têm um tempo de vida muito longo de mais de algumas centenas de nanossegundos, o que é suficiente para resfriá-los até a temperatura necessária de um BEC.
A equipe empregou um refrigerador de diluição, um aparelho criogênico que resfria combinando dois isótopos de hélio e é frequentemente usado por cientistas que tentam desenvolver computadores quânticos, para capturar paraexcitons na maioria do Cu2O abaixo de 400 milikelvins. Em seguida, eles usaram imagens de absorção induzida no infravermelho médio, uma espécie de microscopia que usa luz no meio da faixa do infravermelho, para visualizar diretamente o exciton BEC no espaço real.
Como resultado, a equipe conseguiu obter medições precisas da densidade e temperatura do exciton, o que permitiu identificar diferenças e semelhanças entre o exciton BEC e o BEC atômico convencional.
Os pesquisadores aplicaram estresse não homogêneo usando uma lente colocada sob a amostra (cubo vermelho). O estresse não homogêneo resulta em um campo de deformação não homogêneo que atua como um potencial de armadilha para excitons. O feixe de excitação (linha sólida laranja) foi focado na parte inferior do potencial de armadilha na amostra. Um éxciton (esfera amarela) consiste em um elétron (esfera azul) e um buraco (esfera vermelha). A equipe detectou excitons por luminescência (tonalidade amarela) ou pela transmissão diferencial da luz da sonda (tonalidade azul). Uma lente objetiva colocada atrás da amostra coletava a luminescência dos excitons. O feixe da sonda também se propagou através da lente objetiva. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka e Makoto Kuwata-Gonokami, Universidade de Tóquio
Os cientistas querem ainda investigar a dinâmica de como o exciton BEC se forma no semicondutor em massa e investigar as excitações coletivas dos exciton BECs. Seu objetivo final é construir uma plataforma baseada em um sistema de exciton BECs para elucidar ainda mais suas propriedades quânticas e desenvolver uma melhor compreensão da mecânica quântica de qubits fortemente acoplados ao seu ambiente.
Jornal de referência:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka e Makoto Kuwata-Gonokami, “Observação de condensados de Bose-Einstein de excitons em um semicondutor a granel”, Natureza das Comunicações: 14 de setembro de 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
