Создан первый квазичастичный конденсат Бозе-Эйнштейна
Физики создали первый конденсат Бозе-Эйнштейна — загадочное пятое состояние материи, состоящее из квазичастиц, сущностей, которые не считаются элементарными частицами, но все же могут обладать свойствами элементарных частиц, такими как заряд и вращение. В течение десятилетий было неизвестно, могут ли они подвергаться конденсации Бозе-Эйнштейна так же, как реальные частицы, и теперь выясняется, что они могут. Это открытие окажет значительное влияние на развитие квантовых технологий, включая квантовые вычисления.
Крупный план аппарата в некриогенном холодильнике для растворения. Темно-красный кубический кристалл в центре изображения — это закись меди. Менисковая линза из селенида цинка, расположенная за кристаллом, является линзой объектива. Стержень и столик под кристаллом используются для создания неоднородного поля деформации в кристалле, играющего роль ловушечного потенциала для экситонов. Авторы и права: Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Токийский университет
В журнале Nature Communications была опубликована статья, описывающая процесс создания вещества, достигаемый при температуре на волосок от абсолютного нуля.
Конденсат Бозе-Эйнштейна иногда называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Теоретически предсказанный в начале 20-го века конденсат Бозе-Эйнштейна, или БЭК, был создан в лаборатории только в 1995 году. Это также, пожалуй, самое странное состояние материи, и многое о нем остается неизвестным науке.
БЭК возникает, когда группа атомов охлаждается с точностью до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Исследователи обычно используют лазеры и магнитные ловушки для постоянного снижения температуры газа, обычно состоящего из атомов рубидия. При такой сверхнизкой температуре атомы почти не двигаются и начинают вести себя очень странно.
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. Совокупность атомов по существу ведет себя как одна частица.
В настоящее время БЭК остаются предметом многих фундаментальных исследований и моделирования систем конденсированных сред, но в принципе они находят применение в квантовой обработке информации. Квантовые вычисления, которые все еще находятся на ранних стадиях развития, используют ряд различных систем. Но все они зависят от квантовых битов или кубитов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии.
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. Авторы и права: Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Токийский университет
Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов обычных атомов. Но до сих пор не удалось достичь БЭК из экзотических атомов.
Экзотические атомы — это атомы, в которых одна субатомная частица, такая как электрон или протон, заменена другой субатомной частицей с таким же зарядом. Позитроний, например, представляет собой экзотический атом, состоящий из электрона и его положительно заряженной античастицы, позитрона.
Экситон - еще один такой пример. Когда свет попадает на полупроводник, его энергии достаточно, чтобы возбудить электроны и перепрыгнуть с валентного уровня атома на его уровень проводимости. Затем эти возбужденные электроны свободно текут в электрическом токе, по сути преобразуя световую энергию в электрическую. Когда отрицательно заряженный электрон совершает этот прыжок, оставшееся пространство или дырку можно рассматривать как положительно заряженную частицу. Отрицательный электрон и положительная дырка притягиваются и, таким образом, связываются вместе.
Вместе эта электронно-дырочная пара представляет собой электрически нейтральную квазичастицу, называемую экситоном. Квазичастица — это частицеподобная сущность, которая не считается одной из 17 элементарных частиц стандартной модели физики элементарных частиц, но все же может обладать свойствами элементарной частицы, такими как заряд и вращение. Экситонную квазичастицу также можно описать как экзотический атом, потому что это фактически атом водорода, у которого единственный положительный протон заменен одной положительной дыркой.
Экситоны бывают двух видов: ортоэкситоны, в которых спин электрона параллелен спину его дырки, и параэкситоны, в которых спин электрона антипараллелен (параллелен, но в противоположном направлении) спину его дырки.
Электронно-дырочные системы использовались для создания других фаз материи, таких как электронно-дырочная плазма и даже капли экситонной жидкости. Исследователи хотели посмотреть, смогут ли они создать БЭК из экситонов.
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. Авторы и права: Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Токийский университет
«Прямое наблюдение экситонного конденсата в трехмерном полупроводнике пользуется большим спросом с тех пор, как оно было впервые теоретически предложено в 1962 году. Никто не знал, могут ли квазичастицы претерпевать конденсацию Бозе-Эйнштейна так же, как реальные частицы», — сказал Макото Кувата. Гоноками, физик из Токийского университета и соавтор статьи. «Это своего рода Святой Грааль физики низких температур».
Исследователи думали, что водородоподобные параэкситоны, созданные в закиси меди (Cu 2 O), соединении меди и кислорода, были одним из наиболее многообещающих кандидатов для изготовления экситонных БЭК в объемном полупроводнике из-за их длительного времени жизни. Попытки создать параэкситонный БЭК при температурах жидкого гелия около 2 К предпринимались в 1990-х годах, но они не увенчались успехом, поскольку для создания БЭК из экситонов необходимы температуры намного ниже этой.
Ортоэкситоны не могут достичь такой низкой температуры, так как они слишком недолговечны. Однако экспериментально хорошо известно, что параэкситоны имеют чрезвычайно долгое время жизни, превышающее несколько сотен наносекунд, что достаточно долго, чтобы охладить их до желаемой температуры БЭК.
Команде удалось уловить параэкситоны в массе Cu 2 O с температурой ниже 400 милликельвинов, используя рефрижератор растворения, криогенное устройство, которое охлаждается путем смешивания двух изотопов гелия вместе и которое обычно используется учеными, пытающимися реализовать квантовые компьютеры.
Затем они напрямую визуализировали экситонный БЭК в реальном пространстве с помощью визуализации с индуцированным поглощением в среднем инфракрасном диапазоне, типа микроскопии, использующей свет в середине инфракрасного диапазона. Это позволило команде провести точные измерения, включая плотность и температуру экситонов, что, в свою очередь, позволило им отметить различия и сходства между экситонной БЭК и обычной атомной БЭК.
Следующим шагом группы будет исследование динамики формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонного БЭК. Их конечная цель — построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК, для дальнейшего выяснения ее квантовых свойств и лучшего понимания квантовой механики кубитов, сильно связанных с окружающей средой.
