bilde: Et nærbilde av apparatet i et kryogenfritt fortynningskjøleskap. En mørk rødfarget kubisk krystall i midten av bildet er kobberoksid. En sink selenid menisk linse plassert bak krystallen er en objektiv linse. En stang og et trinn under krystallen brukes for generering av et inhomogent tøyningsfelt i krystallen som fungerer som et fellepotensial for eksitoner.
utsikt mer
Kreditt: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka og Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Fysikere har skapt det første Bose-Einstein-kondensatet – den mystiske “femte tilstanden” av materie – laget av kvasipartikler, enheter som ikke teller som elementærpartikler, men som fortsatt kan ha elementærpartikkelegenskaper som ladning og spinn. I flere tiår var det ukjent om de kunne gjennomgå Bose-Einstein-kondensering på samme måte som ekte partikler, og det ser det nå ut til at de kan. Funnet er satt til å ha en betydelig innvirkning på utviklingen av kvanteteknologier inkludert kvantedatabehandling.
En artikkel som beskriver prosessen med å lage stoffet, oppnådd ved temperaturer en hårsbredd fra absolutt null, ble publisert i tidsskriftet Naturkommunikasjon.
Bose-Einstein-kondensater er noen ganger beskrevet som den femte tilstanden til materie, sammen med faste stoffer, væsker, gasser og plasmaer. Teoretisk forutsagt tidlig på 1900-tallet, ble Bose-Einstein-kondensater, eller BEC-er, bare skapt i et laboratorium så sent som i 1995. De er kanskje også den merkeligste materietilstanden, med mye om at de forblir ukjente for vitenskapen.
BEC-er oppstår når en gruppe atomer avkjøles til innen milliarddeler av en grad over absolutt null. Forskere bruker vanligvis lasere og “magnetfeller” for å jevnt redusere temperaturen på en gass, vanligvis sammensatt av rubidiumatomer. Ved denne ultrakjøle temperaturen beveger atomene seg knapt og begynner å vise veldig merkelig oppførsel. De opplever den samme kvantetilstanden – nesten som koherente fotoner i en laser – og begynner å klumpe seg sammen, og opptar samme volum som et “superatom” som ikke kan skilles. Samlingen av atomer oppfører seg i hovedsak som en enkelt partikkel.
For øyeblikket er BEC-er gjenstand for mye grunnleggende forskning, og for simulering av kondensert materiesystemer, men i prinsippet har de applikasjoner innen kvanteinformasjonsbehandling. Kvantedatabehandling, fortsatt i tidlige utviklingsstadier, bruker en rekke forskjellige systemer. Men de er alle avhengige av kvantebiter, eller kvantebiter, som er i samme kvantetilstand.
De fleste BEC-er er laget av fortynnede gasser fra vanlige atomer. Men til nå har en BEC laget av eksotiske atomer aldri blitt oppnådd.
Eksotiske atomer er atomer der en subatomær partikkel, for eksempel et elektron eller et proton, erstattes av en annen subatomær partikkel som har samme ladning. Positronium, for eksempel, er et eksotisk atom laget av et elektron og dets positivt ladede antipartikkel, et positron.
En “exciton” er et annet slikt eksempel. Når lys treffer en halvleder, er energien tilstrekkelig til å “eksitere” elektroner til å hoppe opp fra valensnivået til et atom til dets ledningsnivå. Disse eksiterte elektronene flyter deretter fritt i en elektrisk strøm – i hovedsak transformerer de lysenergi til elektrisk energi. Når det negativt ladede elektronet utfører dette hoppet, kan rommet som er igjen, eller “hullet”, behandles som om det var en positivt ladet partikkel. Det negative elektronet og det positive hullet tiltrekkes og bindes dermed sammen.
Kombinert er dette elektron-hull-paret en elektrisk nøytral “kvasipartikkel” kalt en eksiton. En kvasipartikkel er en partikkellignende enhet som ikke teller som en av de 17 elementærpartiklene i standardmodellen for partikkelfysikk, men som fortsatt kan ha elementærpartikkelegenskaper som ladning og spinn. Eksiton kvasipartikkelen kan også beskrives som et eksotisk atom fordi det faktisk er et hydrogenatom som har fått sitt eneste positive proton erstattet av et enkelt positivt hull.
Eksitoner kommer i to smaker: ortoeksitoner, der spinnet til elektronet er parallelt med spinnet til hullet, og paraeksitoner, der elektronspinnet er antiparallelt (parallelt, men i motsatt retning) med hullets spinn.
Elektron-hull-systemer har blitt brukt til å lage andre faser av materie som elektron-hull plasma og til og med eksiton væskedråper. Forskerne ønsket å se om de kunne lage en BEC av eksitoner.
“Direkte observasjon av et eksitonkondensat i en tredimensjonal halvleder har vært svært ettertraktet siden det først ble teoretisk foreslått i 1962. Ingen visste om kvasipartikler kunne gjennomgå Bose-Einstein-kondensering på samme måte som ekte partikler,” sa Makoto Kuwata- Gonokami, en fysiker ved University of Tokyo og medforfatter av papiret. “Det er på en måte lavtemperaturfysikkens hellige gral.”
Forskerne mente at hydrogenlignende paraeksitoner dannet i kobberoksid (Cu2O), en forbindelse av kobber og oksygen, var en av de mest lovende kandidatene for fremstilling av exciton BEC-er i en bulk-halvleder på grunn av deres lange levetid. Forsøk på å lage paraexciton BEC ved flytende heliumtemperaturer på rundt 2 K hadde blitt gjort på 1990-tallet, men mislyktes fordi, for å lage en BEC ut av eksitoner, er det nødvendig med temperaturer langt lavere enn det. Ortoexcitoner kan ikke nå så lav temperatur da de er for kortvarige. Paraeksitoner er imidlertid eksperimentelt godt kjent for å ha en ekstremt lang levetid på over flere hundre nanosekunder, tilstrekkelig lang til å kjøle dem ned til ønsket temperatur til en BEC.
Teamet klarte å fange paraekscitons i hoveddelen av Cu2O under 400 millikelvin ved bruk av et fortynningskjøleskap, en kryogen enhet som avkjøles ved å blande to isotoper av helium sammen og som ofte brukes av forskere som prøver å realisere kvantedatamaskiner. De visualiserte deretter exciton BEC direkte i det virkelige rommet ved bruk av mid-infrarød-indusert absorpsjonsavbildning, en type mikroskopi som bruker lys i midten av det infrarøde området. Dette tillot teamet å ta presisjonsmålinger, inkludert tettheten og temperaturen til eksitonene, som igjen gjorde dem i stand til å markere forskjellene og likhetene mellom exciton BEC og vanlig atom BEC.
Gruppens neste steg vil være å undersøke dynamikken i hvordan exciton BEC dannes i bulk-halvlederen, og å undersøke kollektive eksitasjoner av exciton BEC-er. Deres endelige mål er å bygge en plattform basert på et system av exciton BEC-er, for ytterligere belysning av dens kvanteegenskaper, og å utvikle en bedre forståelse av kvantemekanikken til qubits som er sterkt koblet til deres miljø.
###
Finansiering:
Denne forskningen ble støttet av MEXT, JSPS KAKENHI (Grant Nos. JP20104002, JP26247049, JP25707024, JP15H06131, JP17H06205); av Photon Frontier Network Program, Quantum Leap Flagship Program (Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246 of MEXT; og av JSPS gjennom sitt FØRSTE Program.
Relaterte linker:
Gonokami Group: http://www.gono.tu-tokyo.ac.jp/e_index.html
Graduate School of Science: https://www.su-tokyo.ac.jp/en/
Graduate School of Engineering: https://www.tu-tokyo.ac.jp/en/soe
Om universitetet i Tokyo
Universitetet i Tokyo er Japans ledende universitet og et av verdens beste forskningsuniversiteter. Den enorme forskningsproduksjonen til rundt 6000 forskere er publisert i verdens beste tidsskrifter på tvers av kunst og vitenskap. Vår pulserende studentmasse på rundt 15 000 studenter og 15 000 doktorgradsstudenter inkluderer over 4000 internasjonale studenter. Finn ut mer på www.u-tokyo.ac.jp/en/ eller følg oss på Twitter på @UTokyo_News_en
Artikkeltittel
Observasjon av Bose-Einstein-kondensater av eksitoner i en bulk-halvleder
Publasjonsdato for artikkel
14. september 2022