玻色-爱因斯坦凝聚有时被描述为物质的第五态。 它们直到 1995 年才在实验室中创建。它们经历了相同的量子态——几乎就像激光中的相干光子——并开始聚集在一起，占据与一个无法区分的超级原子相同的体积。
目前，BEC 仍然是模拟凝聚态系统的许多基础研究的主题，但原则上，它们在 量子信息处理. 大多数 BEC 是由普通原子的稀释气体制成的。 但直到现在，从未实现过由奇异原子制成的 BEC。
科学家从 东京大学 想看看他们是否可以用激子制作 BEC。 使用准粒子，他们创造了第一个 玻色-爱因斯坦冷凝物 ——物质的神秘“第五态”。 这一发现将对量子技术的发展产生重大影响，包括 量子计算.
结合的电子-空穴对是一种电中性的“准粒子”，称为 激子. 激子准粒子也可以被描述为奇异原子，因为它实际上是一个氢原子，其单个正质子已被单个正空穴取代。
将氧化亚铜晶体（红色立方体）放置在稀释冰箱中心的样品台上。 研究人员在冰箱的防护罩上安装了窗户，可以从四个方向对样品台进行光学访问。 两个方向上的窗口允许激发光（橙色实线）和来自可见区域中副激子的发光（黄色实线）的透射。 其他两个方向上的窗口允许探测光（蓝色实线）透射，用于诱导吸收成像。 为了减少传入的热量，研究人员通过最小化数值孔径和使用特定的窗户材料精心设计了窗户。 这种专门的窗户设计和无冷冻剂稀释冰箱的高冷却能力有助于实现 64 毫开尔文的最低基础温度。 ©2022 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami，东京大学
Makoto Kuwata-Gonokami 是东京大学的物理学家，也是该论文的合著者， 说过, “自 1962 年首次在理论上提出以来，对三维半导体中激子凝聚体的直接观察一直备受追捧。没有人知道准粒子是否可以像真实粒子一样经历玻色-爱因斯坦凝聚。 这是低温物理学的圣杯。”
由于其延长的寿命，在氧化亚铜 (Cu2O)（铜和氧的混合物）中产生的副激子被认为是批量产生激子 BEC 的最有希望的可能性之一 半导体. 在 1990 年代，曾尝试在 2 K 左右的液氦温度下产生副激子 BEC。 尽管如此，他们还是失败了，因为用激子产生 BEC 需要低得多的温度。 因为它们太短暂，正激子无法达到如此低的温度。 然而，从实验中得知，副激子具有超过几百纳秒的非常长的寿命，这足以将它们冷却到 BEC 的必要温度。
该团队使用了稀释冰箱，这是一种通过结合两种同位素来冷却的低温装置 氦 并且经常被试图开发量子计算机的科学家使用，以捕获低于 2 毫开尔文的大部分 Cu400O 中的副激子。 然后，他们使用中红外诱导吸收成像（一种利用红外范围中间的光的显微镜）直接观察实际空间中的激子 BEC。
结果，该团队可以获得激子密度和温度的精确测量结果，这使他们能够识别激子 BEC 和传统原子 BEC 之间的差异和相似之处。
研究人员使用样品下方的透镜组（红色立方体）施加了不均匀的应力。 不均匀的应力导致不均匀的应变场，作为激子的陷阱势。 激发光束（橙色实线）聚焦在样品中陷阱电位的底部。 一个激子（黄色球体）由一个电子（蓝色球体）和一个空穴（红色球体）组成。 该团队通过发光（黄色阴影）或探测光的差分传输（蓝色阴影）检测到激子。 设置在样品后面的物镜收集来自激子的发光。 探测光束也通过物镜传播。 ©2022 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami，东京大学
科学家们还想进一步研究激子 BEC 在体半导体中如何形成的动力学，并研究激子 BEC 的集体激发。 他们的最终目标是建立一个基于激子 BEC 系统的平台，以进一步阐明其量子特性，并更好地理解与其环境强耦合的量子比特的量子力学。
杂志参考：
- Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami，“体半导体中激子的玻色-爱因斯坦凝聚体的观察”， 自然通讯: 14 年 2022 月 XNUMX 日。 DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4
