Конденсат Бозе-Эйнштейна иногда называют пятым состоянием вещества. Они были созданы в лаборатории совсем недавно, в 1995 году. Они находятся в одном и том же квантовом состоянии — почти как когерентные фотоны в лазере — и начинают слипаться, занимая тот же объем, что и один неразличимый суператом.
В настоящее время БЭК остаются предметом многих фундаментальных исследований по моделированию систем конденсированных сред, но в принципе они имеют приложения в квантовая обработка информации. Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов обычных атомов. Но до сих пор не удалось достичь БЭК из экзотических атомов.
Ученые из Токийский университет хотели посмотреть, смогут ли они сделать БЭК из экситонов. Используя квазичастицы, они создали первый Бозе-эйнштейновский конденсат — таинственное «пятое состояние» материи. Это открытие окажет значительное влияние на развитие квантовых технологий, в том числе квантовые вычисления.
Комбинированная электронно-дырочная пара представляет собой электрически нейтральную «квазичастицу», называемую экситон. Экситонную квазичастицу также можно описать как экзотический атом, потому что, по сути, это атом водорода, у которого единственный положительный протон заменен одной положительной дыркой.
Кристалл оксида меди (красный куб) помещали на предметный столик в центре холодильника для растворения. Исследователи прикрепили окна к щиткам холодильника, что обеспечило оптический доступ к предметному столику в четырех направлениях. Окна в двух направлениях позволяли пропускать возбуждающий свет (оранжевая сплошная линия) и люминесценцию от параэкситонов (желтая сплошная линия) в видимой области. Окна в двух других направлениях позволяли пропускать зондирующий свет (синяя сплошная линия) для получения изображений с индуцированным поглощением. Чтобы уменьшить поступающее тепло, исследователи тщательно спроектировали окна, минимизировав числовую апертуру и используя специальный материал для окон. Эта специальная конструкция окон и высокая охлаждающая способность безкриогенного рефрижератора растворения способствовали достижению минимальной базовой температуры 64 милликельвина. © 2022 Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Токийский университет
Макото Кувата-Гоноками, физик из Токийского университета и соавтор статьи, — сказал, «Прямое наблюдение экситонного конденсата в трехмерном полупроводнике пользовалось большим спросом с тех пор, как оно было впервые теоретически предложено в 1962 году. Никто не знал, могут ли квазичастицы подвергаться бозе-эйнштейновской конденсации так же, как реальные частицы. Это своего рода Святой Грааль физики низких температур».
Из-за длительного времени жизни параэкситоны, образованные в закиси меди (Cu2O), смеси меди и кислорода, считались одной из наиболее многообещающих возможностей для генерации экситонных БЭК в объеме. полупроводник. В 1990-х годах были предприняты попытки получить параэкситонный БЭК при температурах жидкого гелия около 2 К. Тем не менее они потерпели неудачу, поскольку для получения БЭК из экситонов требуются гораздо более низкие температуры. Ортоэкситоны не могут достигать такой низкой температуры из-за своей неустойчивости. Однако из экспериментов известно, что параэкситоны имеют очень большое время жизни, превышающее несколько сотен наносекунд, что достаточно для их охлаждения до необходимой температуры БЭК.
Команда использовала рефрижератор растворения, криогенный аппарат, который охлаждает путем объединения двух изотопов гелий и часто используется учеными, пытающимися разработать квантовые компьютеры для улавливания параэкситонов в большинстве Cu2O ниже 400 милликельвинов. Затем они использовали визуализацию индуцированного поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, своего рода микроскопию, в которой используется свет в середине инфракрасного диапазона, чтобы непосредственно увидеть БЭК экситона в реальном космосе.
В результате команда смогла получить точные измерения плотности и температуры экситонов, что позволило им выявить различия и сходства между экситонной БЭК и обычной атомной БЭК.
Исследователи применили неоднородное напряжение, используя линзу, установленную под образцом (красный куб). Неоднородное напряжение приводит к неоднородному полю деформации, которое действует как потенциал ловушки для экситонов. Пучок возбуждения (оранжевая сплошная линия) был сфокусирован на дне потенциала ловушки в образце. Экситон (желтая сфера) состоит из одного электрона (синяя сфера) и одной дырки (красная сфера). Команда обнаружила экситоны либо по люминесценции (желтый оттенок), либо по дифференциальному пропусканию зондирующего света (синий оттенок). Объектив, установленный за образцом, собирал люминесценцию экситонов. Зондирующий пучок также проходил через линзу объектива. © 2022 Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Токийский университет
Ученые также хотят исследовать динамику формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследовать коллективные возбуждения экситонного БЭК. Их конечная цель — построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК, для дальнейшего выяснения ее квантовых свойств и лучшего понимания квантовой механики кубитов, которые сильно связаны с окружающей средой.
Справочник журнала:
- Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, «Наблюдение конденсатов Бозе-Эйнштейна экситонов в объемном полупроводнике». Природа связи: 14 сентября 2022 г. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
