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Científicos crean el primer condensador Bose-Einstein de cuasipartículas

Los condensados ​​de Bose-Einstein a veces se describen como el quinto estado de la materia. Fueron creados en el laboratorio en 1995. Experimentan el mismo estado cuántico, más o menos como fotones coherentes en un láser, y comienzan a agruparse, ocupando el mismo volumen que un superátomo indistinguible.

Actualmente, los BEC siguen siendo objeto de mucha investigación básica para simulaciones de sistemas de materia condensada, pero en principio, tienen aplicaciones en Procesamiento de información cuántica. La mayoría de los BEC están hechos de gases diluidos de átomos ordinarios. Pero hasta ahora no se ha logrado BEC compuesto de átomos exóticos.

Científicos de Universidad de Tokio Querían ver si podían crear un BEC a partir de excitones. Usando cuasipartículas, crearon la primera Condensador Bose-Einstein El misterioso «quinto estado» de la materia. Se espera que los resultados influyan en gran medida en el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluido Estadísticas Cuantitativas.

El par compuesto electrón-hueco es una «cuasipartícula» eléctricamente neutra llamada excitón. La partícula de excitón también se puede describir como un átomo exótico porque, de hecho, es un átomo de hidrógeno cuyo único protón positivo ha sido reemplazado por un único hueco positivo.

Configuración experimental dentro de un refrigerador de dilución sin refrigerante Se colocó un cristal de óxido de cobre (cubo rojo) en la plataforma de muestra en el centro del refrigerador de dilución. Los investigadores instalaron ventanas en los escudos del refrigerador que permitían el acceso visual al escenario de la muestra en cuatro direcciones. Las ventanas bidireccionales permiten la transmisión de la luz de excitación (línea continua naranja) y la fluorescencia de los parasketons (línea amarilla continua) a la región visible. Las ventanas en las otras dos direcciones permiten la transmisión de la luz de la sonda (línea azul continua) para obtener imágenes de absorción inducida. Para reducir el calor entrante, los investigadores diseñaron cuidadosamente las ventanas reduciendo la apertura numérica y utilizando un material de ventana específico. Este diseño de ventana especializado y la alta potencia de enfriamiento del refrigerador delgado sin refrigerante facilitan el logro de una temperatura central de al menos 64 mK. © 2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka y Makoto Kuwata-Gonokami, Universidad de Tokio

Makoto Kawata Junokami, físico de la Universidad de Tokio y coautor del artículo de investigación, Él dijoY el «La observación directa de la condensación de excitones en semiconductores 3D ha sido muy buscada desde que se propuso teóricamente por primera vez en 1962. Nadie sabía si las cuasipartículas podían sufrir la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales. Es una especie de El Santo Grial de Física de Baja Temperatura.

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Debido a su larga vida, el paraciton producido en óxido de cobre (Cu2O), una mezcla de cobre y oxígeno, se considera una de las perspectivas más prometedoras para la generación de excitones de BEC en grandes cantidades. Semiconductores. En la década de 1990, se hicieron intentos para producir BEC de paracetona a temperaturas de helio líquido de aproximadamente 2 K. Sin embargo, fallaron porque se necesitaban temperaturas mucho más bajas para producir BEC a partir de excitones. Debido a que son muy transitorios, las ortesis no pueden alcanzar temperaturas bajas. Sin embargo, se sabe a partir de experimentos que los paraxitones tienen una vida muy larga superior a unos pocos cientos de nanosegundos, lo que es suficiente para enfriarlos a la temperatura necesaria para BEC.

El equipo usó un refrigerador atenuante, que es un dispositivo refrigerante que enfría al combinar dos isótopos de helio Los científicos que intentan desarrollar computadoras cuánticas lo utilizan con frecuencia para atrapar la paraexitona en la mayoría de Cu2O por debajo de 400 miliK. A continuación, utilizaron imágenes de absorción inducida por el infrarrojo medio, un tipo de microscopía que utiliza luz en el rango del infrarrojo medio, para ver el excitón BEC directamente en el espacio real.

Como resultado, el equipo pudo obtener mediciones precisas de la densidad y la temperatura del excitón, lo que les permitió determinar las diferencias y similitudes entre un excitón BEC y un BEC atómico convencional.

Ilustración esquemática de los procesos físicos implicados en los excitones de la muestra
Ilustración esquemática de los procesos físicos implicados en los excitones de la muestra Los investigadores aplicaron presiones no homogéneas utilizando un conjunto de lentes debajo de la muestra (cubo rojo). El estrés heterogéneo da como resultado un dominio de estrés heterogéneo que actúa como una trampa potencial para los excitones. Enfoque el haz de excitación (línea continua naranja) en la parte inferior del potencial de trampa en la muestra. Un excitón (bola amarilla) consta de un electrón (bola azul) y un agujero (bola roja). El equipo detectó los excitones por luminiscencia (sombra amarilla) o por transmisión diferencial de la luz de la sonda (sombra azul). Una lente objetivo colocada detrás de la muestra recogió la luminiscencia de los excitones. El haz de la sonda también se dispersa a través de la lente del objetivo. © 2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka y Makoto Kuwata-Gonokami, Universidad de Tokio

Los científicos también quieren investigar la dinámica de cómo se forma un excitón BEC en semiconductores a granel e investigar la excitación colectiva de los BEC de excitón. Su objetivo final es construir una plataforma basada en BEC de excitón para dilucidar aún más sus propiedades cuánticas y desarrollar una mejor comprensión de la mecánica cuántica de los qubits fuertemente relacionados con su entorno.

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Referencia de la revista:

  1. Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka y Makoto Kuwata-Gonokami, «Observación de condensados ​​de excitones de Bose-Einstein en un semiconductor a granel» Conexiones con la naturaleza: 14 de septiembre de 2022. 10.1038 / s41467-022-33103-4