Fizycy od dawna zastanawiali się, czy kwazicząstki mogą ulegać kondensacji Bosego-Einsteina w taki sam sposób, jak “prawdziwe” cząstki. Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego potwierdzili, że tak w istocie się dzieje. Odkrycie to ma ogromne znaczenie nie tylko dla wiedzy akademickiej, ale i rozwoju technologii kwantowych. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Czym są BEC?
Kondensaty Bosego-Einsteina (BEC) opisywane są jako “piąty stan materii” (obok ciał stałych, cieczy, gazów i plazmy). Ich istnienie przewidziano teoretycznie na początku XX wieku, a w warunkach laboratoryjnych stworzono je dopiero w 1995 r.
Do powstania BEC dochodzi, gdy grupa atomów zostaje schłodzona do miliardowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego. W takich warunkach atomy ledwo się poruszają i zaczynają “dziwnie” zachowywać. Zlepiają się, zajmując tę samą objętość jako “superatom” i zachowując jak pojedyncza cząstka. BEC są przedmiotem wielu badań podstawowych, ale mają także zastosowanie w kwantowym przetwarzaniu informacji.
Większość BEC jest wytwarzana z rozrzedzonych gazów zwykłych atomów, ale do tej pory nigdy nie udało się stworzyć ich z tzw. egzotycznych atomów. Są to atomy, w których jedna cząstka subatomowa (np. proton lub elektron) została zastąpiona inną cząstką subatomową o takim samym ładunku.
Z kolei, kiedy światło trafia w półprzewodnik, energia jest wystarczająca do “wzbudzenia” elektronów, które przeskakują z poziomu walencyjnego do pasma przewodnictwa. Przepływają one swobodnie w prądzie elektrycznym, przekształcając energię światła w energię elektryczną. Kiedy ujemnie naładowany elektron wykonuje ten skok, pozostawiona za nim przestrzeń, czyli “dziura”, może być traktowana jak dodatnio naładowana cząstka. Ujemny elektron i dodatnia dziura są przyciągane, wiążąc się ze sobą – tak powstaje kwazicząstka zwana ekscytonem. Można go opisać także jako egzotyczny atom (atom wodoru, w którym jeden proton zastąpiono dodatnią dziurą).
Ekscytony w BEC
Ekscytony występują w dwóch odmianach: ortoekscytony, w których spin elektronu jest równoległy do spinu jego dziury oraz paraekscytony, w których spin elektronu jest antyrównoległy (równoległy, ale w przeciwnym kierunku) do spinu jego dziury.
Układy elektron-dziura zostały wykorzystane do stworzenia innych faz materii, takich jak plazma elektronowo-dziurowa, a nawet ekscytonowe kropelki cieczy. Naukowcy chcieli sprawdzić, czy uda im się stworzyć BEC z ekscytonów.
Bezpośrednia obserwacja kondensatu ekscytonów w trójwymiarowym półprzewodniku była poszukiwana od czasu, gdy po raz pierwszy zaproponowano ją teoretycznie w 1962 roku. Nikt nie wiedział, czy kwazicząstki mogą ulegać kondensacji Bosego-Einsteina w taki sam sposób jak prawdziwe cząstki. To coś w rodzaju świętego Graala fizyki niskotemperaturowej.prof. Makoto Kuwata-Gonokami z Uniwersytetu Tokijskiego
Próby stworzenia BEC z paraekscytonów w temperaturze ciekłego helu były podejmowane już w latach 90. ubiegłego wieku, ale nie powiodły się, ponieważ potrzebne są ekstremalnie niskie temperatury. Ortoekscytony nie mogą osiągnąć tak niskiej temperatury, ponieważ żyją zbyt krótko. Ale parakescytony mają niezwykle długi czas życia, wynoszący ponad kilkaset nanosekund – to wystarczająco długo, by schłodzić je do pożądanej temperatury BEC.
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Uczeni uwięzili paraekscytony w Cu2O poniżej 400 milikelwinów. Następnie zwizualizowali ekscytony BEC w przestrzeni rzeczywistej za pomocą obrazowania absorpcyjnego w średniej podczerwieni. Pozwoliło to na wykonanie precyzyjnych pomiarów, w tym gęstości i temperatury ekscytonów, co z kolei umożliwiło wyznaczenie różnic i podobieństw pomiędzy ekscytonowym BEC a zwykłym atomowym BEC.
Kolejnym krokiem będzie zbadanie dynamiki formowania się ekscytonów BEC w półprzewodniku. Ostatecznym celem jest zbudowanie platformy opartej na układzie ekscytonów BEC, w celu dalszego wyjaśnienia ich własności kwantowych oraz lepszego zrozumienia zachowań kubitów, które są silnie sprzężone ze swoim otoczeniem.
