میعانات بوز-انیشتین گاهی اوقات به عنوان حالت پنجم ماده توصیف می شود. آنها فقط در سال 1995 در آزمایشگاه ایجاد شدند. آنها همان حالت کوانتومی را تجربه می کنند - تقریباً مانند فوتون های همدوس در یک لیزر - و شروع به جمع شدن می کنند و حجمی برابر با یک ابر اتم غیر قابل تشخیص را اشغال می کنند.

در حال حاضر، BECها موضوع بسیاری از تحقیقات اساسی برای شبیه سازی سیستم های ماده متراکم هستند، اما در اصل، آنها کاربردهایی در پردازش اطلاعات کوانتومی. بیشتر BEC ها از گازهای رقیق اتم های معمولی ساخته می شوند. اما تاکنون، BEC ساخته شده از اتم های عجیب و غریب هرگز به دست نیامده است.

دانشمندان از دانشگاه توکیو می خواستند ببینند که آیا می توانند از اکسیتون ها یک BEC بسازند. آنها با استفاده از شبه ذرات، اولین را ایجاد کرده اند میعانات بوز-انیشتین - "حالت پنجم" مرموز ماده. این یافته قرار است به طور قابل توجهی بر توسعه فناوری های کوانتومی تأثیر بگذارد محاسبات کوانتومی.

جفت الکترون-حفره ترکیبی یک "شبه ذره" خنثی الکتریکی است که an نامیده می شود اکسایتون. شبه ذره اکسایتون را می توان به عنوان یک اتم عجیب و غریب نیز توصیف کرد زیرا در واقع یک اتم هیدروژن است که تک پروتون مثبت آن با یک سوراخ مثبت جایگزین شده است.

ماکوتو کوواتا-گونوکامی، فیزیکدان دانشگاه توکیو و یکی از نویسندگان مقاله، گفت:, از زمانی که برای اولین بار در سال 1962 پیشنهاد شد، مشاهده مستقیم یک میعانات اکسایتون در یک نیمه هادی سه بعدی بسیار مورد توجه بوده است. این نوعی جام مقدس فیزیک دمای پایین است.»

به دلیل طول عمر طولانی‌شان، پاراکسیتون‌های تولید شده در اکسید مس (Cu2O)، مخلوطی از مس و اکسیژن، به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین احتمالات برای تولید BEC های اکسایتون به صورت فله در نظر گرفته می‌شوند. نیمه هادی. در دهه 1990، تلاش هایی برای تولید پاراکسیتون BEC در دمای هلیوم مایع حدود 2 K انجام شد. با این حال، آنها شکست خورده بودند زیرا برای تولید یک BEC از اکسیتون ها به دمای بسیار پایین تری نیاز است. از آنجایی که آنها خیلی گذرا هستند، ارتواکسیتون ها نمی توانند به چنین دمای پایینی دست یابند. با این حال، از آزمایش‌ها مشخص شده است که پاراکسیتون‌ها عمر بسیار طولانی بیش از چند صد نانوثانیه دارند، که برای خنک کردن آنها تا دمای لازم BEC کافی است.

این تیم از یک یخچال رقیق استفاده کردند، یک دستگاه برودتی که با ترکیب دو ایزوتوپ سرد می شود. گاز هلیوم و اغلب توسط دانشمندانی که سعی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی دارند، برای به دام انداختن پاراکسیتون ها در اکثر Cu2O زیر 400 میلی کلوین استفاده می شود. سپس، آنها از تصویربرداری جذبی ناشی از فروسرخ میانی استفاده کردند، نوعی میکروسکوپ که از نور در وسط محدوده مادون قرمز استفاده می‌کند تا مستقیماً اکسایتون BEC را در فضای واقعی مشاهده کند.

در نتیجه، تیم توانست اندازه‌گیری‌های دقیقی از چگالی و دما اکسایتون به دست آورد که به آن‌ها اجازه داد تفاوت‌ها و شباهت‌های بین BEC اکسایتون و BEC اتمی معمولی را شناسایی کنند.

دانشمندان بیشتر می خواهند دینامیک نحوه تشکیل اکسایتون BEC در نیمه هادی حجیم و بررسی برانگیختگی های جمعی BEC های اکسایتون را بررسی کنند. هدف نهایی آنها ساختن یک پلتفرم مبتنی بر سیستمی از BECهای اکسایتون برای توضیح بیشتر خواص کوانتومی آن و ایجاد درک بهتری از مکانیک کوانتومی کیوبیت‌هایی است که به شدت با محیط خود جفت شده‌اند.

مرجع مجله:

1. یوسوکه موریتا، کوسوکه یوشیکا و ماکوتا کوواتا-گونوکامی، "مشاهده چگالش های اکسیتون های بوز-انیشتین در یک نیمه هادی حجیم،" طبیعت ارتباطات: 14 سپتامبر 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33103-4