Condensatele Bose-Einstein sunt uneori descrise ca a cincea stare a materiei. Au fost creați într-un laborator abia în 1995. Ei experimentează aceeași stare cuantică - aproape ca fotonii coerenți dintr-un laser - și încep să se aglomereze, ocupând același volum ca un super-atom care nu poate fi distins.
În prezent, BEC-urile rămân subiectul multor cercetări de bază pentru simularea sistemelor de materie condensată, dar, în principiu, au aplicații în prelucrarea informaţiei cuantice. Majoritatea BEC-urilor sunt fabricate din gaze diluate ale atomilor obișnuiți. Dar până acum, un BEC format din atomi exotici nu a fost niciodată atins.
Oamenii de știință din Universitatea din Tokyo au vrut să vadă dacă pot face un BEC din excitoni. Folosind cvasiparticule, ei au creat primul Condensat Bose-Einstein — misterioasa „a cincea stare” a materiei. Descoperirea va avea un impact semnificativ asupra dezvoltării tehnologiilor cuantice, inclusiv cuantic calcul.
Perechea combinată electron-gaură este o „cvasiparticulă” neutră din punct de vedere electric numită exciton. Cvasiparticula de exciton poate fi, de asemenea, descrisă ca un atom exotic, deoarece este, de fapt, un atom de hidrogen care a avut un singur proton pozitiv înlocuit cu o singură gaură pozitivă.
Cristalul de oxid cupros (cubul roșu) a fost plasat pe o treaptă de probă în centrul frigiderului de diluare. Cercetătorii au atașat ferestrele de scuturile frigiderului care au permis accesul optic la etapa de probă în patru direcții. Ferestrele în două direcții au permis transmiterea luminii de excitație (linia continuă portocalie) și luminescența de la paraexcitoni (linia continuă galbenă) în regiunea vizibilă. Ferestrele din celelalte două direcții au permis transmiterea luminii sondei (linie continuă albastră) pentru imagistica cu absorbție indusă. Pentru a reduce căldura primită, cercetătorii au proiectat cu atenție ferestrele reducând la minimum deschiderea numerică și folosind un material specific pentru ferestre. Acest design specializat pentru ferestre și puterea ridicată de răcire a frigiderului cu diluție fără criogen au facilitat realizarea unei temperaturi de bază minime de 64 mlikelvin. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka și Makoto Kuwata-Gonokami, Universitatea din Tokyo
Makoto Kuwata-Gonokami, fizician la Universitatea din Tokyo și coautor al lucrării, a spus, „Observarea directă a unui condensat de exciton într-un semiconductor tridimensional a fost foarte căutată de când a fost propus pentru prima dată teoretic în 1962. Nimeni nu știa dacă cvasiparticulele ar putea suferi condensarea Bose-Einstein în același mod ca particulele reale. Este un fel de Sfântul Graal al fizicii la temperaturi joase.”
Datorită duratei de viață extinse, paraexcitonii produși în oxid cupros (Cu2O), un amestec de cupru și oxigen, au fost considerați a fi una dintre cele mai promițătoare posibilități de generare a excitonilor BEC în vrac. semiconductor. În anii 1990, au fost făcute încercări de a produce paraexciton BEC la temperaturi de heliu lichid de aproximativ 2 K. Cu toate acestea, au eșuat, deoarece sunt necesare temperaturi mult mai scăzute pentru a produce un BEC din excitoni. Deoarece sunt prea tranzitorii, ortoexcitonele nu pot atinge o temperatură atât de scăzută. Cu toate acestea, se știe din experimente că paraexcitonii au o durată de viață foarte lungă de peste câteva sute de nanosecunde, ceea ce este suficient pentru a le răci la temperatura necesară a unui BEC.
Echipa a folosit un frigider de diluare, un aparat criogenic care se răcește prin combinarea a doi izotopi de heliu și este folosit frecvent de oamenii de știință care încearcă să dezvolte computere cuantice, pentru a capta paraexcitonii în majoritatea Cu2O sub 400 de milikelvin. Apoi, au folosit imagistica cu absorbție indusă în infraroșu mijlociu, un fel de microscopie care folosește lumina în mijlocul intervalului infraroșu, pentru a vizualiza direct excitonul BEC în spațiul real.
Ca rezultat, echipa a putut obține măsurători precise ale densității și temperaturii excitonului, ceea ce le-a permis să identifice diferențele și asemănările dintre BEC exciton și BEC atomic convențional.
Cercetătorii au aplicat stres neomogen folosind o lentilă fixată sub probă (cubul roșu). Stresul neomogen are ca rezultat un câmp de deformare neomogen care acționează ca un potențial de capcană pentru excitoni. Fasciculul de excitație (linia solidă portocalie) a fost concentrat pe partea de jos a potențialului capcană din probă. Un exciton (sfera galbenă) este format dintr-un electron (sfera albastră) și o gaură (sfera roșie). Echipa a detectat excitoni fie prin luminiscență (nuanță galbenă), fie prin transmisia diferențială a luminii sondei (nuanță albastră). O lentilă obiectivă plasată în spatele eșantionului a colectat luminiscența de la excitoni. Fasciculul sondei s-a propagat și prin lentila obiectivului. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka și Makoto Kuwata-Gonokami, Universitatea din Tokyo
Oamenii de știință doresc în continuare să investigheze dinamica modului în care se formează excitonul BEC în semiconductorul în vrac și să investigheze excitațiile colective ale excitonilor BEC. Scopul lor final este de a construi o platformă bazată pe un sistem de exciton BEC pentru a elucida în continuare proprietățile sale cuantice și pentru a dezvolta o mai bună înțelegere a mecanicii cuantice a qubiților care sunt puternic cuplati cu mediul lor.
Referința jurnalului:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka și Makoto Kuwata-Gonokami, „Observarea condensatelor Bose-Einstein de excitoni într-un semiconductor în vrac”, Natura Comunicaţii: 14 septembrie 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
