Bose-Einstein-kondensat beskrivs ibland som materiens femte tillstånd. De skapades bara i ett labb så sent som 1995. De upplever samma kvanttillstånd - nästan som koherenta fotoner i en laser - och börjar klumpa ihop sig och upptar samma volym som en oskiljbar superatom.
För närvarande är BEC fortfarande föremål för mycket grundforskning för att simulera system för kondenserad materia, men i princip har de tillämpningar i kvantinformationsbehandling. De flesta BEC är tillverkade av utspädda gaser av vanliga atomer. Men fram till nu har en BEC gjord av exotiska atomer aldrig uppnåtts.
Forskare från University of Tokyo ville se om de kunde göra en BEC av excitoner. Med hjälp av kvasipartiklar har de skapat den första Bose-Einstein kondensat — materiens mystiska "femte tillstånd". Fyndet kommer att avsevärt påverka utvecklingen av kvantteknik, inklusive kvantkalkylering.
Kombinerat elektron-hålpar är en elektriskt neutral "kvasipartikel" som kallas an exciton. Exciton kvasipartikeln kan också beskrivas som en exotisk atom eftersom det i själva verket är en väteatom som har fått sin enda positiva proton ersatt av ett enda positivt hål.
Kopparoxidkristallen (röd kub) placerades på ett provbord i mitten av utspädningskylskåpet. Forskare fäste fönster till sköldarna i kylskåpet som gjorde det möjligt att få optisk tillgång till provsteget i fyra riktningar. Fönstren i två riktningar tillät överföring av excitationsljuset (orange heldragen linje) och luminescens från paraexcitoner (gul heldragen linje) i det synliga området. Fönstren i de andra två riktningarna tillät överföring av sondens ljus (blå heldragen linje) för inducerad absorptionsavbildning. För att minska inkommande värme designade forskare noggrant fönstren genom att minimera den numeriska öppningen och använda ett specifikt fönstermaterial. Denna specialiserade design för fönstren och den höga kyleffekten hos det kryogenfria utspädningskylskåpet underlättade realiseringen av en lägsta bastemperatur på 64 millikelvin. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka och Makoto Kuwata-Gonokami, Tokyos universitet
Makoto Kuwata-Gonokami, fysiker vid University of Tokyo och medförfattare till tidningen, sade, "Direkt observation av ett excitonkondensat i en tredimensionell halvledare har varit mycket eftertraktat sedan det teoretiskt föreslogs första gången 1962. Ingen visste om kvasipartiklar kunde genomgå Bose-Einstein-kondensering på samma sätt som verkliga partiklar. Det är typ av lågtemperaturfysikens heliga gral.”
På grund av sin förlängda livslängd ansågs paraexcitonerna som produceras i kopparoxid (Cu2O), en blandning av koppar och syre, vara en av de mest lovande möjligheterna för att generera exciton BECs i en bulk halvledare. På 1990-talet hade försök gjorts att producera paraexciton BEC vid flytande heliumtemperaturer på cirka 2 K. Ändå hade de misslyckats eftersom mycket lägre temperaturer krävs för att producera en BEC ur excitoner. Eftersom de är för övergående kan ortoexitoner inte uppnå en så låg temperatur. Det är dock känt från experiment att paraexcitoner har en mycket lång livslängd på över några hundra nanosekunder, vilket är tillräckligt för att kyla dem till den nödvändiga temperaturen för en BEC.
Teamet använde ett utspädningskylskåp, en kryogen apparat som kyler genom att kombinera två isotoper av helium och används ofta av forskare som försöker utveckla kvantdatorer för att fånga paraexcitoner i majoriteten av Cu2O under 400 millikelvin. Sedan använde de mid-infraröd-inducerad absorptionsavbildning, en sorts mikroskopi som använder ljus i mitten av det infraröda området, för att direkt se exciton BEC i faktiska rymden.
Som ett resultat kunde teamet få exakta mätningar av excitondensiteten och temperaturen, vilket gjorde det möjligt för dem att identifiera skillnader och likheter mellan exciton BEC och konventionell atomär BEC.
Forskare tillämpade inhomogen stress med hjälp av en linsuppsättning under provet (röd kub). Den inhomogena spänningen resulterar i ett inhomogent töjningsfält som fungerar som en fällpotential för excitoner. Excitationsstrålen (orange heldragen linje) fokuserades på botten av fällpotentialen i provet. En exciton (gul sfär) består av en elektron (blå sfär) och ett hål (röd sfär). Teamet upptäckte excitoner genom antingen luminescens (gul nyans) eller differentiell överföring av sondljuset (blå nyans). En objektivlins bakom provet samlade luminescens från excitoner. Sondstrålen fortplantade sig också genom objektivlinsen. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka och Makoto Kuwata-Gonokami, Tokyos universitet
Forskare vill vidare undersöka dynamiken i hur exciton BEC bildas i bulkhalvledaren och att undersöka kollektiva excitationer av exciton BEC. Deras slutmål är att bygga en plattform baserad på ett system av exciton BECs för att ytterligare belysa dess kvantegenskaper och för att utveckla en bättre förståelse av kvantmekaniken hos qubits som är starkt kopplade till deras miljö.
Tidskriftsreferens:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka och Makoto Kuwata-Gonokami, "Observation av Bose-Einstein-kondensat av excitoner i en bulkhalvledare," Nature Communications: 14 september 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
