В течение десятилетий было неизвестно, могут ли квазичастицы претерпевать конденсацию Бозе-Эйнштейна так же, как и реальные частицы, и теперь выясняется, что могут. Это открытие окажет значительное влияние на развитие квантовых технологий, включая квантовые вычисления. Недавно в журнале Nature Communications была опубликована статья, описывающая процесс создания вещества, который проводился при температуре чуть выше абсолютного нуля.
Конденсат Бозе-Эйнштейна иногда называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Теоретически предсказанный в начале 20-го века конденсат Бозе-Эйнштейна, или БЭК, был создан в лаборатории только в 1995 году. Это также, пожалуй, самое странное состояние материи, и многое о нем остается неизвестным науке.
БЭК возникает, когда группа атомов охлаждается с точностью до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Исследователи обычно используют лазеры и магнитные ловушки для постоянного снижения температуры газа, обычно состоящего из атомов рубидия. При такой сверхнизкой температуре атомы почти не двигаются и начинают вести себя очень странно. Они находятся в одном и том же квантовом состоянии — почти как когерентные фотоны в лазере — и начинают слипаться, занимая тот же объем, что и один неразличимый "суператом". Совокупность атомов по существу ведет себя как одна частица.
Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов обычных атомов. Но до сих пор не удалось достичь БЭК из экзотических атомов. Экзотические атомы — это атомы, в которых одна субатомная частица, такая как электрон или протон, заменена другой субатомной частицей с таким же зарядом. Позитроний, например, представляет собой экзотический атом, состоящий из электрона и его положительно заряженной античастицы, позитрона. Экситон — частный пример такого необычного атома.
Исследователи думали, что водородоподобные параэкситоны, созданные в закиси меди (Cu2O), соединении меди и кислорода, были одним из наиболее многообещающих кандидатов для изготовления экситонных БЭК в объемном полупроводнике из-за их длительного времени жизни. Попытки создать параэкситонный БЭК при температурах жидкого гелия около 2 Кельвинов предпринимались в 1990-х годах, но они не увенчались успехом, поскольку для создания БЭК из экситонов необходимы температуры намного ниже этой. Ортоэкситоны не могут достичь такой низкой температуры, так как они слишком недолговечны. Однако экспериментально хорошо известно, что параэкситоны имеют чрезвычайно долгое время жизни, превышающее несколько сотен наносекунд, что достаточно долго, чтобы охладить их до желаемой температуры БЭК.
Команде удалось уловить параэкситоны в массе Cu2O с температурой ниже 400 милликельвинов, используя рефрижератор растворения, криогенное устройство, которое охлаждается путем смешивания двух изотопов гелия вместе и которое обычно используется учеными, пытающимися реализовать квантовые компьютеры. Затем они напрямую визуализировали экситонный БЭК в реальном пространстве с помощью визуализации с индуцированным поглощением в среднем инфракрасном диапазоне, типа микроскопии, использующей свет в середине инфракрасного диапазона. Это позволило команде провести точные измерения, включая плотность и температуру экситонов, что, в свою очередь, позволило им отметить различия и сходства между экситонной БЭК и обычной атомной БЭК.
Следующим шагом группы будет исследование динамики формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонного БЭК. Их конечная цель — построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК, для дальнейшего выяснения ее квантовых свойств и лучшего понимания квантовой механики кубитов, сильно связанных с окружающей средой.
