Статья, описывающая процесс создания вещества, достигаемый при температурах на волосок от абсолютного нуля, была опубликована в журнале Сообщения о природе.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна иногда описывают как пятое состояние материи, наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Теоретически предсказанные в начале 20-го века конденсаты Бозе-Эйнштейна, или БЭК, были созданы в лаборатории совсем недавно, в 1995 году. Они также, возможно, являются самым странным состоянием материи, и многое в них остается неизвестным науке.

БЭК возникают, когда группа атомов охлаждается с точностью до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Исследователи обычно используют лазеры и "магнитные ловушки" для неуклонного снижения температуры газа, обычно состоящего из атомов рубидия. При такой сверххолодной температуре атомы почти не движутся и начинают проявлять очень странное поведение. Они испытывают одно и то же квантовое состояние - почти как когерентные фотоны в лазере - и начинают собираться вместе, занимая тот же объем, что и один неразличимый "суператом". Совокупность атомов, по существу, ведет себя как единая частица.

В настоящее время БЭК остаются предметом многих фундаментальных исследований и для моделирования систем с конденсированным веществом, но в принципе они находят применение в квантовой обработке информации. Квантовые вычисления, все еще находящиеся на ранних стадиях развития, используют ряд различных систем. Но все они зависят от квантовых битов, или кубитов, которые находятся в одном и том же квантовом состоянии.

Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов, состоящих из обычных атомов. Но до сих пор БЭК, состоящий из экзотических атомов, никогда не был достигнут.

Экзотические атомы - это атомы, в которых одна субатомная частица, такая как электрон или протон, заменена другой субатомной частицей, имеющей тот же заряд. Позитроний, например, представляет собой экзотический атом, состоящий из электрона и его положительно заряженной античастицы, позитрона.

"Экситон" - еще один такой пример. Когда свет попадает на полупроводник, энергии достаточно, чтобы "возбудить" электроны, чтобы они перескочили с валентного уровня атома на уровень его проводимости. Эти возбужденные электроны затем свободно текут в электрическом токе - по сути, преобразуя световую энергию в электрическую. Когда отрицательно заряженный электрон совершает этот прыжок, оставленное позади пространство, или "дыру", можно рассматривать так, как если бы это была положительно заряженная частица. Отрицательный электрон и положительная дырка притягиваются и, таким образом, связаны вместе.

В совокупности эта электронно-дырочная пара представляет собой электрически нейтральную "квазичастицу", называемую экситоном. Квазичастица - это частицеподобная сущность, которая не считается одной из 17 элементарных частиц стандартной модели физики элементарных частиц, но которая все еще может обладать свойствами элементарных частиц, такими как заряд и спин. Квазичастицу экситон также можно описать как экзотический атом, потому что по сути это атом водорода, у которого единственный положительный протон заменен единственной положительной дыркой.

Экситоны бывают двух видов: ортоэкситоны, в которых спин электрона параллелен спину его дырки, и параэкситоны, в которых спин электрона антипараллелен (параллелен, но в противоположном направлении) спину его дырки.

Электронно-дырочные системы использовались для создания других фаз вещества, таких как электронно-дырочная плазма и даже капли экситонной жидкости. Исследователи хотели посмотреть, смогут ли они сделать BEC из экситонов.

"Прямое наблюдение экситонного конденсата в трехмерном полупроводнике пользуется большим спросом с тех пор, как оно было впервые теоретически предложено в 1962 году. Никто не знал, могут ли квазичастицы подвергаться конденсации Бозе-Эйнштейна таким же образом, как и реальные частицы", - сказал Макото Кувата-Гоноками, физик из Токийского университета и соавтор статьи. "Это своего рода святой грааль физики низких температур".

Исследователи полагали, что водородоподобные параэкситоны, образующиеся в оксиде меди (Cu₂O), соединение меди и кислорода, были одним из наиболее перспективных кандидатов для изготовления экситонных БЭК в объемном полупроводнике из-за их длительного срока службы. Попытки создания параэкситонного БЭК при температурах жидкого гелия около 2 К предпринимались в 1990-х годах, но потерпели неудачу, поскольку для создания БЭК из экситонов необходимы температуры намного ниже этой. Ортоэкситоны не могут достигать такой низкой температуры, так как они слишком недолговечны. Однако экспериментально хорошо известно, что параэкситоны имеют чрезвычайно длительный срок службы - более нескольких сотен наносекунд, достаточный для того, чтобы охладить их до желаемой температуры BEC.

Команде удалось поймать параэкситоны в основной массе Cu₂O ниже 400 милликельвинов с использованием разбавляющего холодильника, криогенного устройства, которое охлаждается путем смешивания двух изотопов гелия вместе и которое обычно используется учеными, пытающимися реализовать квантовые компьютеры. Затем они непосредственно визуализировали экситонный BEC в реальном пространстве с помощью визуализации индуцированного поглощения в средней инфракрасной области, разновидности микроскопии, использующей свет в середине инфракрасного диапазона. Это позволило команде провести точные измерения, включая плотность и температуру экситонов, что, в свою очередь, позволило им выделить различия и сходства между экситонным BEC и обычным атомным BEC.

Следующим шагом группы будет исследование динамики формирования экситонных BEC в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонных BEC. Их конечная цель - создать платформу, основанную на системе экситонных БЭК, для дальнейшего выяснения ее квантовых свойств и для лучшего понимания квантовой механики кубитов, которые сильно связаны с окружающей средой.

Финансирование:

Это исследование было поддержано MEXT, JSPS KAKENHI (грант № JP20104002, JP26247049, JP25707024, JP15H06131, JP17H06205); программой Photon Frontier Network, флагманской программой Quantum Leap (Q-LEAP), грант № JPMXS0118067246 от MEXT; и JSPS в рамках своей ПЕРВОЙ программы.