Bose-Einsteinove kondenzate včasih opisujejo kot peto agregatno stanje. Ustvarjeni so bili šele leta 1995 v laboratoriju. Doživijo isto kvantno stanje – skoraj kot koherentni fotoni v laserju – in se začnejo združevati ter zasedajo enako prostornino kot en nerazločljiv super atom.
BEC trenutno ostajajo predmet številnih osnovnih raziskav za simulacijo sistemov kondenzirane snovi, vendar se načeloma uporabljajo v kvantna obdelava informacij. Večina BEC je izdelanih iz razredčenih plinov navadnih atomov. Toda do zdaj BEC, narejen iz eksotičnih atomov, še nikoli ni bil dosežen.
Znanstveniki iz Univerza v Tokiu je želel videti, ali bi lahko naredili BEC iz ekscitonov. Z uporabo kvazidelcev so ustvarili prvega Bose-Einsteinov kondenzat — skrivnostno »peto stanje« snovi. Ugotovitev naj bi pomembno vplivala na razvoj kvantnih tehnologij, vključno z kvantno računalništvo.
Kombinirani par elektron-luknja je električno nevtralen "kvazidelec", imenovan an eksciton. Kvazidelec ekscitona lahko opišemo tudi kot eksotičen atom, ker je v resnici atom vodika, ki je imel svoj en sam pozitivni proton nadomeščen z eno samo pozitivno luknjo.
Kristal bakrovega oksida (rdeča kocka) je bil postavljen na vzorčni oder v središču hladilnika za redčenje. Raziskovalci so na ščite hladilnika pritrdili okna, ki so omogočala optični dostop do odra vzorca v štirih smereh. Okna v dveh smereh so omogočala prenos vzbujevalne svetlobe (oranžna polna črta) in luminiscenco iz paraekscitonov (rumena polna črta) v vidnem območju. Okna v drugih dveh smereh so omogočala prenos svetlobe sonde (modra polna črta) za slikanje inducirane absorpcije. Da bi zmanjšali vhodno toploto, so raziskovalci okna skrbno oblikovali tako, da so zmanjšali numerično odprtino in uporabili poseben material oken. Ta posebna zasnova za okna in visoka hladilna moč hladilnika za redčenje brez kriogena sta olajšala uresničitev minimalne osnovne temperature 64 milikelvinov. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka in Makoto Kuwata-Gonokami, Univerza v Tokiu
Makoto Kuwata-Gonokami, fizik na Univerzi v Tokiu in soavtor prispevka, je dejal, »Neposredno opazovanje ekscitonskega kondenzata v tridimenzionalnem polprevodniku je bilo zelo iskano, odkar je bilo prvič teoretično predlagano leta 1962. Nihče ni vedel, ali so lahko kvazidelci podvrženi Bose-Einsteinovi kondenzaciji na enak način kot pravi delci. To je nekakšen sveti gral nizkotemperaturne fizike.«
Zaradi njihove podaljšane življenjske dobe so paraekscitoni, proizvedeni v bakrovem oksidu (Cu2O), mešanici bakra in kisika, veljali za eno najbolj obetavnih možnosti za ustvarjanje ekscitonskih BEC v razsutem stanju. polprevodnik. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so bili izvedeni poskusi izdelave paraekscitona BEC pri temperaturah tekočega helija okoli 1990 K. Kljub temu jim ni uspelo, ker so za proizvodnjo BEC iz ekscitonov potrebne veliko nižje temperature. Ker so preveč prehodni, ortoekscitoni ne morejo doseči tako nizke temperature. Vendar pa je iz eksperimentov znano, da imajo paraekscitoni zelo dolgo življenjsko dobo več kot nekaj sto nanosekund, kar zadostuje, da se ohladijo na potrebno temperaturo BEC.
Ekipa je uporabila hladilnik za redčenje, kriogeno napravo, ki hladi s kombiniranjem dveh izotopov helij in ga pogosto uporabljajo znanstveniki, ki poskušajo razviti kvantne računalnike, da ujamejo paraekscitone v večini Cu2O pod 400 milikelvinov. Nato so uporabili slikanje s srednjo infrardečo absorpcijo, nekakšno mikroskopijo, ki uporablja svetlobo v sredini infrardečega območja, da bi neposredno videli eksciton BEC v dejanskem prostoru.
Kot rezultat je ekipa lahko pridobila natančne meritve gostote in temperature ekscitonov, kar jim je omogočilo, da prepoznajo razlike in podobnosti med ekscitonskim BEC in običajnim atomskim BEC.
Raziskovalci so uporabili nehomogen stres z uporabo leče, postavljene pod vzorec (rdeča kocka). Posledica nehomogenega stresa je nehomogeno deformacijsko polje, ki deluje kot potencial pasti za ekscitone. Vzbujevalni žarek (oranžna polna črta) je bil usmerjen na spodnji del potenciala pasti v vzorcu. Eksciton (rumena krogla) je sestavljen iz enega elektrona (modra krogla) in ene luknje (rdeča krogla). Ekipa je zaznala ekscitone z luminiscenco (rumeni odtenek) ali diferencialnim prenosom svetlobe sonde (modri odtenek). Objektivna leča, nameščena za vzorcem, je zbirala luminiscenco ekscitonov. Sondni žarek se je širil tudi skozi lečo objektiva. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka in Makoto Kuwata-Gonokami, Univerza v Tokiu
Znanstveniki nadalje želijo raziskati dinamiko nastajanja ekscitonskih BEC v masi polprevodnika in raziskati kolektivna vzbujanja ekscitonskih BEC. Njihov končni cilj je zgraditi platformo, ki temelji na sistemu ekscitonskih BEC, da bi dodatno razjasnili njegove kvantne lastnosti in razvili boljše razumevanje kvantne mehanike kubitov, ki so močno povezani z njihovim okoljem.
Referenca dnevnika:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka in Makoto Kuwata-Gonokami, »Opazovanje Bose-Einsteinovih kondenzatov ekscitonov v masivnem polprevodniku,« Nature Communications: 14. september 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
