Wissenschaftler haben den Prozess der Herstellung einer Substanz beschrieben, der bei einer Temperatur erreicht wird, die „haarscharf“ vom absoluten Nullpunkt entfernt ist.
Was ist ein Bose-Einstein-Kondensat?
Bose-Einstein-Kondensat – Aggregatzustandeine auf Bosonen basierende Substanz, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Zusammen mit Feststoffen, Flüssigkeiten, Gasen und Plasma wird er manchmal als fünfter Aggregatzustand bezeichnet. Das zu Beginn des 20. Jahrhunderts theoretisch vorhergesagte Bose-Einstein-Kondensat (BEC) entstand erst 1995 im Labor. Es ist vielleicht auch der seltsamste Zustand der Materie, und vieles darüber bleibt der Wissenschaft unbekannt.
Der absolute Nullpunkt ist die Temperatur beiin dem Moleküle jede Bewegung stoppen. Entspricht –273,15 °C oder Null auf der Kelvin-Skala. Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, beginnen einige ziemlich seltsame Phänomene aufzutreten.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC entsteht, wenn eine Gruppe von Atomen abkühltmit einer Genauigkeit von milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Typischerweise verwenden Physiker Laser und Magnetfallen, um die Temperatur eines Gases aus Rubidiumatomen kontinuierlich zu senken. Bei solch einer extrem niedrigen Temperatur bewegen sich die Atome kaum noch und verhalten sich sehr seltsam.
Sie sind im selbenQuantenzustand – fast wie kohärente Photonen in einem Laser – und beginnen zusammenzukleben und nehmen das gleiche Volumen wie ein nicht unterscheidbares Superatom ein. Eine Ansammlung von Atomen verhält sich im Wesentlichen wie ein Teilchen.
Bose-Einstein-Kondensat und Quantencomputing
Im Moment ist BEC für die Grundlagenforschung wichtigErforschung und Modellierung kondensierter Materiesysteme. Es ist jedoch auch bei der Quanteninformationsverarbeitung nützlich. Quantencomputing, das sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, nutzt eine Vielzahl von Systemen. Aber sie alle hängen davon ab, dass sich Quantenbits oder Qubits im gleichen Quantenzustand befinden.
Die meisten BECs werden aus verdünnten Gasen gewöhnlicher Atome hergestellt. Doch bisher ist es nicht gelungen, aus exotischen Atomen ein Kondensat zu erzeugen.
Was sind exotische Atome?
Exotische Atome sind solche, in denenEin subatomares Teilchen, beispielsweise ein Elektron oder Proton, wird durch ein anderes subatomares Teilchen mit derselben Ladung ersetzt. Positronium beispielsweise ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron und seinem positiv geladenen Antiteilchen, dem Positron, besteht.
Exciton ist ein weiteres Beispiel für atomaren „Exotismus“.Wenn Licht auf einen Halbleiter trifft, hat es genug Energie, um Elektronen anzuregen und vom Valenzniveau des Atoms auf sein Leitungsniveau zu gelangen. Diese angeregten Elektronen fließen dann frei in einem elektrischen Strom und wandeln im Wesentlichen Lichtenergie in elektrische Energie um. Wenn ein negativ geladenes Elektron diesen „Sprung“ macht, kann man sich den verbleibenden Raum als positiv geladenes Teilchen vorstellen. Das negative Elektron und der positive Leerraum werden angezogen und verbinden sich so.
Zusammen dieses elektronenräumliche Paarist ein elektrisch neutrales Quasiteilchen, das als Exziton bekannt ist. Ein Quasiteilchen ist ein teilchenähnliches „Gebilde“, das nicht zu den 17 Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik zählt.
Das Standardmodell ist ein theoretisches Konstrukt inElementarteilchenphysik, die die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung aller Elementarteilchen beschreibt. Die moderne Formulierung wurde in den 2000er Jahren nach experimenteller Bestätigung der Existenz von Quarks fertiggestellt.
Möglicherweise hat sie es jedoch immer nochEigenschaften eines Elementarteilchens – etwa Ladung und Rotation. Ein exzitonisches Quasiteilchen kann auch als exotisches Atom beschrieben werden. Das liegt daran, dass es sich tatsächlich um ein Wasserstoffatom handelt, dessen einzelnes positives Proton durch eine einzelne Lücke mit einer positiven Ladung ersetzt ist.
Mithilfe einer unter der Probe angebrachten Linse (roter Würfel) legten die Forscher eine ungleichmäßige Spannung an.
Bildcredit und Bildrechte: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka und Makoto Kuwata-Gonokami, Universität Tokio
Es gibt zwei Arten von Exzitonen:Orthoexzitonen, bei denen der Elektronenspin parallel zum Spin seines Lochs ist, und Paraexzitonen, bei denen der Elektronenspin antiparallel (parallel, aber in die entgegengesetzte Richtung) zum Spin seines Hohlraums (Lochs) ist.
Wie wurden Elektronen-Leere-Systeme in der Vergangenheit verwendet?
Elektron-Loch-Systeme wurden für verwendetdie Schaffung anderer Phasen der Materie, wie zum Beispiel Elektron-Loch-Plasma und sogar exzitonische Flüssigkeitströpfchen. Nun wollten die Wissenschaftler herausfinden, ob sie aus Exzitonen ein BEC erzeugen können.
Der Punkt ist die direkte Beobachtung des ExzitonsKondensat in einem dreidimensionalen Halbleiter ist seit seiner Einführung durch Theoretiker im Jahr 1962 sehr gefragt. Niemand wusste, ob Quasiteilchen auf die gleiche Weise wie echte Teilchen eine Bose-Einstein-Kondensation durchlaufen können.“ „Dies ist so etwas wie ein Heiliger Gral der Tieftemperaturphysik“, erklären die Autoren der neuen Studie.
Versuche in der Vergangenheit
Wissenschaftler glaubten, dass es wasserstoffähnlich seiParaexzitonen, die in Kupferoxid (Cu₂O), einer Verbindung aus Kupfer und Sauerstoff, erzeugt werden, eignen sich am besten für die Herstellung exzitonischer BECs in Massenhalbleitern. Alles wegen ihrer langen Lebensdauer. Versuche, ein Paraexzitonen-BEC bei Temperaturen von flüssigem Helium von etwa 2 Kelvin (-271,15 °C) zu erzeugen, wurden bereits in den 1990er Jahren unternommen, waren jedoch erfolglos. Das Problem besteht darin, dass die Erzeugung eines BEC aus Exzitonen Temperaturen erfordert, die viel niedriger sind.
Orthoexzitonen können einen solchen Tiefpunkt nicht erreichenTemperaturen, da sie zu kurzlebig sind. Es ist jedoch experimentell bekannt, dass Paraexzitonen eine extrem lange Lebensdauer haben, die mehrere hundert Nanosekunden übersteigt, was lang genug ist, um sie auf die gewünschte BEC-Temperatur abzukühlen.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Im Rahmen des Experiments fingen Physiker anParaexzitonen in einer Masse von Cu₂O mit einer Temperatur unter 400 mK (Millikelvin). Dazu nutzten sie einen Dissolution-Kühlschrank, ein speziell kryogenes Gerät. Wissenschaftler nutzen es, um Quantencomputer zu realisieren.
Der Verdünnungskühlschrank ist ein kryogenes Gerät,zuerst von Heinz London vorgeschlagen. Der Kühlprozess verwendet eine Mischung aus zwei Heliumisotopen: ³He und ⁴He. Beim Abkühlen unter 700 mK erfährt die Mischung eine spontane Phasentrennung, wobei Phasen gebildet werden, die reich an ³He und reich an &sup4;He sind.
Nahaufnahme des Geräts in einem nicht kryogenen Kühlschrankaufzulösen. Der dunkelrote kubische Kristall in der Bildmitte ist Kupferoxid. Quelle: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka und Makoto Kuwata-Gonokami, Universität Tokio
Anschließend bildeten sie direkt das Exziton BEC abim realen Raum. Dabei half ihnen die Bildgebung mit induzierter Absorption im mittleren Infrarotbereich. Hierbei handelt es sich um eine Art der Mikroskopie, bei der Licht im mittleren Infrarotbereich verwendet wird. Auf diese Weise konnten Wissenschaftler präzise Messungen durchführen, unter anderem zur Dichte und Temperatur der Exzitonen. Dies wiederum ermöglichte es ihnen, die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Exzitonen-BEC und konventionellem Atom-BEC festzustellen.
Was weiter?
Wissenschaftler werden hier nicht aufhörenerreicht. Ihr nächster Schritt besteht darin, die Dynamik der Bildung eines excitonischen BEC in einem Volumenhalbleiter zu untersuchen und die kollektiven Anregungen eines excitonischen BEC zu untersuchen.
Dadurch hoffen die Physiker, eine Plattform aufzubauenbasierend auf einem System exzitonischer BECs. Dies wird dazu beitragen, seine Quanteneigenschaften aufzuklären und die Quantenmechanik von Qubits, die stark an ihre Umgebung gekoppelt sind, besser zu verstehen.
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Auf dem Umschlag: press.princeton.edu