Onderzoekers creëren eerste quasideeltjes Bose-E

Observatie van Bose-Einstein-condensaten van excitonen in een bulkhalfgeleider met behulp van mid-infrarood geïnduceerde absorptiebeeldvorming gerealiseerd in een verdunningskoelkast

afbeelding: Een close-up foto van het apparaat in een cryogeenvrije verdunningskoelkast. Een donkerrood gekleurd kubisch kristal in het midden van de afbeelding is cupro-oxide. Een zinkselenide meniscuslens die achter het kristal is geplaatst, is een objectieflens. Een staaf en een trap onder het kristal worden gebruikt voor het genereren van een inhomogeen spanningsveld in het kristal dat fungeert als een valpotentiaal voor excitonen.
visie meer

Krediet: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, de universiteit van Tokio

Natuurkundigen hebben het eerste Bose-Einstein-condensaat gecreëerd – de mysterieuze „vijfde toestand“ van materie – gemaakt van quasideeltjes, entiteiten die niet als elementaire deeltjes tellen, maar die nog steeds elementaire deeltjeseigenschappen kunnen hebben, zoals lading en spin. Decennialang was het onbekend of ze Bose-Einstein-condensatie op dezelfde manier konden ondergaan als echte deeltjes, en nu lijkt het erop dat ze dat kunnen. De bevinding zal een aanzienlijke impact hebben op de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, waaronder kwantumcomputing.

Een paper waarin het proces van het maken van de stof wordt beschreven, bereikt bij temperaturen een haarbreedte van het absolute nulpunt, werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

Bose-Einstein-condensaten worden soms beschreven als de vijfde toestand van materie, naast vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma’s. Theoretisch voorspeld in het begin van de 20e eeuw, werden Bose-Einstein-condensaten, of BEC’s, pas in 1995 in een laboratorium gemaakt. Ze zijn misschien ook de vreemdste toestand van materie, waarvan veel onbekend blijft voor de wetenschap.

BEC’s treden op wanneer een groep atomen wordt afgekoeld tot op miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt. Onderzoekers gebruiken vaak lasers en „magneetvallen“ om de temperatuur van een gas, meestal samengesteld uit rubidium-atomen, gestaag te verlagen. Bij deze ultrakoele temperatuur bewegen de atomen nauwelijks en beginnen ze heel vreemd gedrag te vertonen. Ze ervaren dezelfde kwantumtoestand – bijna als coherente fotonen in een laser – en beginnen samen te klonteren, waarbij ze hetzelfde volume innemen als een niet te onderscheiden ’superatoom‘. De verzameling atomen gedraagt ​​zich in wezen als een enkel deeltje.

Momenteel blijven BEC’s het onderwerp van veel fundamenteel onderzoek en voor het simuleren van systemen van gecondenseerde materie, maar in principe hebben ze toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie. Quantum computing, dat zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, maakt gebruik van een aantal verschillende systemen. Maar ze zijn allemaal afhankelijk van kwantumbits, of qubits, die zich in dezelfde kwantumtoestand bevinden.

De meeste BEC’s zijn vervaardigd uit verdunde gassen van gewone atomen. Maar tot nu toe is er nooit een BEC gemaakt van exotische atomen bereikt.

Exotische atomen zijn atomen waarin een subatomair deeltje, zoals een elektron of een proton, is vervangen door een ander subatomair deeltje met dezelfde lading. Positronium is bijvoorbeeld een exotisch atoom gemaakt van een elektron en zijn positief geladen antideeltje, een positron.

Een „exciton“ is nog zo’n voorbeeld. Wanneer licht een halfgeleider raakt, is de energie voldoende om elektronen te „exciteren“ om van het valentieniveau van een atoom naar het geleidingsniveau te springen. Deze geëxciteerde elektronen stromen dan vrij in een elektrische stroom – in wezen transformeren ze lichtenergie in elektrische energie. Wanneer het negatief geladen elektron deze sprong uitvoert, kan de achtergelaten ruimte, of „gat“, worden behandeld alsof het een positief geladen deeltje is. Het negatieve elektron en het positieve gat worden aangetrokken en dus aan elkaar gebonden.

Gecombineerd is dit elektron-gat-paar een elektrisch neutraal „quasideeltje“ dat een exciton wordt genoemd. Een quasideeltje is een deeltjesachtige entiteit die niet meetelt als een van de 17 elementaire deeltjes van het standaardmodel van de deeltjesfysica, maar die wel elementaire deeltjeseigenschappen kan hebben zoals lading en spin. Het quasi-deeltje van het exciton kan ook worden beschreven als een exotisch atoom, omdat het in feite een waterstofatoom is waarvan het enkele positieve proton is vervangen door een enkel positief gat.

Excitonen zijn er in twee smaken: ortho-excitonen, waarbij de spin van het elektron evenwijdig is aan de spin van zijn gat, en para-excitons, waarbij de elektronspin anti-parallel is (parallel maar in de tegenovergestelde richting) aan die van zijn gat.

Elektronengatsystemen zijn gebruikt om andere fasen van materie te creëren, zoals elektronengatplasma en zelfs excitonvloeistofdruppels. De onderzoekers wilden kijken of ze van excitonen een BEC konden maken.

„Directe observatie van een excitoncondensaat in een driedimensionale halfgeleider is zeer gewild sinds het voor het eerst theoretisch werd voorgesteld in 1962. Niemand wist of quasideeltjes Bose-Einstein-condensatie op dezelfde manier konden ondergaan als echte deeltjes,“ zei Makoto Kuwata- Gonokami, een natuurkundige aan de Universiteit van Tokio en co-auteur van het artikel. „Het is een soort heilige graal van de lagetemperatuurfysica.“

De onderzoekers dachten dat waterstofachtige para-excitons gecreëerd in cupro-oxide (Cu2O), een verbinding van koper en zuurstof, was vanwege hun lange levensduur een van de meest veelbelovende kandidaten voor het vervaardigen van exciton-BEC’s in een bulkhalfgeleider. Pogingen om para-exciton BEC te creëren bij vloeibare heliumtemperaturen van ongeveer 2 K waren in de jaren negentig gedaan, maar faalden omdat, om een ​​BEC uit excitonen te creëren, temperaturen veel lager nodig zijn dan die nodig zijn. Ortho-excitaties kunnen zo’n lage temperatuur niet bereiken omdat ze te kort leven. Het is echter experimenteel bekend dat para-excitons een extreem lange levensduur hebben van meer dan enkele honderden nanoseconden, voldoende lang om ze af te koelen tot de gewenste temperatuur van een BEC.

Het team slaagde erin para-excitaties te vangen in het grootste deel van Cu2O minder dan 400 millikelvin met behulp van een verdunningskoelkast, een cryogeen apparaat dat afkoelt door twee isotopen van helium met elkaar te mengen en dat veel wordt gebruikt door wetenschappers die proberen kwantumcomputers te realiseren. Vervolgens visualiseerden ze het exciton BEC direct in de echte ruimte door middel van midden-infrarood geïnduceerde absorptiebeeldvorming, een type microscopie dat gebruik maakt van licht in het midden van het infraroodbereik. Hierdoor kon het team precisiemetingen doen, inclusief de dichtheid en temperatuur van de excitonen, waardoor ze op hun beurt de verschillen en overeenkomsten tussen exciton BEC en reguliere atomaire BEC konden markeren.

De volgende stap van de groep zal zijn om de dynamiek te onderzoeken van hoe het exciton BEC zich vormt in de bulkhalfgeleider, en om collectieve excitaties van exciton-BEC’s te onderzoeken. Hun uiteindelijke doel is om een ​​platform te bouwen op basis van een systeem van exciton BEC’s, voor verdere opheldering van de kwantumeigenschappen ervan, en om een ​​beter begrip te ontwikkelen van de kwantummechanica van qubits die sterk gekoppeld zijn aan hun omgeving.

###

Financiering:

Dit onderzoek werd ondersteund door MEXT, JSPS KAKENHI (Grant Nos. JP20104002, JP26247049, JP25707024, JP15H06131, JP17H06205); door het Photon Frontier Network Program, Quantum Leap Flagship Program (Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246 van MEXT; en door JSPS via het FIRST-programma.

Gerelateerde Links:

Gonokami Groep: 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

Over de Universiteit van Tokio

De Universiteit van Tokyo is de toonaangevende universiteit van Japan en een van ’s werelds beste onderzoeksuniversiteiten. De enorme onderzoeksoutput van zo’n 6.000 onderzoekers wordt gepubliceerd in ’s werelds toptijdschriften op het gebied van kunst en wetenschappen. Ons levendige studentenbestand van ongeveer 15.000 niet-gegradueerde en 15.000 afgestudeerde studenten omvat meer dan 4.000 internationale studenten. Lees meer op www.u-tokyo.ac.jp/en/ of volg ons op Twitter op @UTokyo_News_en


Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert