Kondensat Bosego-Einsteina został po raz pierwszy stworzony przy użyciu quasicząstek

Fizycy z Uniwersytetu Tokijskiego opracowali pierwszy kondensat kwazicząstkowy Bosego-Einsteina, przełomowe osiągnięcie, które może znacznie przyspieszyć obliczenia kwantowe.

Kondensaty Bosego-Einsteina są znane jako tajemniczy „piąty stan” materii, wraz z ciałami stałymi, cieczami, gazami i plazmą. Teraz eksperci stworzyli pierwszy kondensat Bosego-Einsteina z quasicząstek — jednostek, które nie są cząstkami elementarnymi, ale wykazują podobne właściwości, takie jak ładunek i spin.

Przez dziesięciolecia naukowcy nie byli pewni, czy kwazicząstki mogą podlegać kondensacji Bosego-Einsteina podobnie jak rzeczywiste cząstki, ponieważ ich odkrycia prawdopodobnie mają poważne implikacje dla rozwoju technologii kwantowych.

praca naukowa,Obserwacje kondensatów Bosego-Einsteina ekscytonów w półprzewodnikach objętościowych, Opublikowany w Komunikacja przyrodnicza.

Co to jest kondensator Bose-Einstein?

Po raz pierwszy przewidywane na początku XX wieku i stworzone dopiero w laboratorium w 1995 roku, kondensaty Bosego-Einsteina pozostają najbardziej niezwykłym i tajemniczym stanem materii. Kondensaty Bosego-Einsteina powstają, gdy grupa atomów zostaje schłodzona do jednej miliardowej stopnia powyżej zera absolutnego. Aby to osiągnąć, naukowcy tradycyjnie stosowali lasery i pułapki magnetyczne do stopniowego obniżania temperatury gazu, który zwykle składa się z atomów rubidu.

Atomy ledwo poruszają się w tej temperaturze i zaczynają wykazywać niezwykłe zachowanie. Doświadczają tego samego stanu kwantowego i zaczynają się łączyć, zajmując tę ​​samą objętość co nieodróżnialny „superatom” i zachowując się zasadniczo jak pojedyncza cząsteczka.

Kondensaty Bosego-Einsteina są przedmiotem wielu podstawowych badań, w tym symulacji układów materii skondensowanej, i mają szereg zastosowań w kwantowym przetwarzaniu informacji. Statystyki ilościowe Jest wciąż w powijakach i wykorzystuje różne systemy, wszystkie oparte na bitach kwantowych (kubitach) w tym samym stanie kwantowym. W większości kondensator Bose-Einstein jest tworzony z gazów rozcieńczonych zwykłymi atomami, a kondensator Bose-Einstein z egzotycznych atomów, których do tej pory nie udało się osiągnąć.

Zrozumienie quasicząstek

Obcy atom to atom, w którym cząstka subatomowa, taka jak elektron lub proton, zostaje zastąpiona inną cząstką subatomową o tym samym ładunku. Na przykład pozyton to dziwny atom złożony z elektronu i jego dodatnio naładowanej antycząstki, pozytonu.

Innym przykładem jest ekscyton. Kiedy światło uderza w półprzewodnik, energia jest wystarczająco silna, aby wzbudzić elektrony, powodując ich przeskoczenie z poziomu walencyjnego atomu do poziomu przewodnictwa. Te wzbudzone elektrony mogą swobodnie płynąć w prądzie elektrycznym – zamieniając energię świetlną na energię elektryczną. Kiedy ujemnie naładowane elektrony wykonają ten skok, pozostałą dziurę można potraktować tak, jakby była dodatnio naładowaną cząsteczką, z ujemnym elektronem i dodatnią dziurą przyciąganymi i związanymi ze sobą.

Ta para elektron-dziura jest elektrycznie obojętną kwazicząstką znaną jako ekscyton. Quasicząstka nie jest uważana za jedną z 17 cząstek elementarnych Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, ale nadal wykazuje właściwości cząstek elementarnych, takie jak ładunek i spin. Istnieją dwa rodzaje ekscytonów: ortoekscytony, w których spin elektronu jest równoległy do ​​spinu jego dziurki, oraz parekscytony, w których spin nie jest równoległy do ​​jego dziurki. Systemy dziur elektronowych były wykorzystywane do tworzenia innych faz materii, takich jak plazma dziury elektronowej, a nawet krople cieczy ekscytonowej, co doprowadziło do badań mających na celu sprawdzenie, czy mogą one wytwarzać kondensat Bosego-Einsteina z ekscytonów.

Makoto Kawata-Junokami, fizyk z Uniwersytetu Tokijskiego i współautor artykułu, skomentował: „Bezpośrednia obserwacja kondensacji ekscytonów w półprzewodnikach 3D była poszukiwana, odkąd po raz pierwszy zaproponowano ją teoretycznie w 1962 roku. Nikt nie wiedział, czy kwazicząstki mogą Bosego-Einsteina ulegają kondensacji w taki sam sposób, jak prawdziwe cząstki.To święty Graal fizyki niskich temperatur.”

Pionierskie zastosowanie koncentratora ekscytonów

Zespół był przekonany, że najbardziej obiecującym kandydatem do wytwarzania kondensatorów Bose-Einsteina w półprzewodnikach masowych są wodoropodobne paraksiony utworzone w tlenku miedzi (Cu).₂O), który jest związkiem miedzi i tlenu, ze względu na ich długą żywotność.

W latach 90. naukowcy podjęli próbę stworzenia kondensatu paraekscytonowego Bosego-Einsteina w temperaturach ciekłego helu około 2 K, ale nie powiodło się ze względu na potrzebę niższych temperatur. Ortoksitony nie mogą osiągnąć niskiej temperatury, ponieważ są niezwykle krótkotrwałe, podczas gdy paraksytony mają niezwykle długą żywotność, przekraczającą kilkaset nanosekund — wystarczająco długo, aby schłodzić się do pożądanej temperatury dla kondensacji Bosego-Einsteina.

Fizycy byli w stanie uwięzić parsekton w masie miedzi₂O mniej niż 400 mK przy użyciu rozcieńczonej lodówki chłodzonej przez połączenie dwóch izotopów helu. Następnie sfotografowali kondensator ekscytonów Bosego-Einsteina w rzeczywistej przestrzeni za pomocą obrazowania absorpcyjnego indukowanego w średniej podczerwieni. Umożliwiło to zespołowi uzyskanie precyzyjnych pomiarów, takich jak gęstość i temperatura ekscytonów, co pozwoliło na odnotowanie różnic i podobieństw między ekscytonami a zwykłymi kondensatami atomowymi Bosego-Einsteina.

Naukowcy zamierzają teraz zbadać dynamikę formowania się kondensatu ekscytonowego Bosego-Einsteina w półprzewodnikach masowych oraz ich zbiorowe wzbudzenia. Ich głównym celem jest zbudowanie platformy opartej na systemie kondensatów ekscytonów Bosego-Einsteina, aby lepiej zrozumieć mechanikę kwantową kubitów.