Les scientifiques ont décrit le processus de création d’une substance qui est obtenue à une température « d’un cheveu » du zéro absolu.
Qu'est-ce qu'un condensat Bose-Einstein ?
Un condensat de Bose-Einstein est un état agrégé de la matière basé surLes bosons se sont refroidis à des températures proches du zéro absolu.Théoriquement prédit au début du 20e siècle, le condensatLa série Bose-Einstein, ou BEC, n’a été créée en laboratoire qu’en 1995.C’est peut-être aussi l’état le plus étrange de la matière, et beaucoup de choses à son sujet restent inconnues de la science.
Le zéro absolu est la température àdans lequel les molécules arrêtent tout mouvement. Égal à –273,15 °C, ou zéro sur l’échelle Kelvin. Lorsque la température approche du zéro absolu, des phénomènes assez étranges commencent à se produire.
Photo : NIST/Wikimedia Commons
Le BEC se produit lorsqu'un groupe d'atomes se refroiditavec une précision au milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Généralement, les physiciens utilisent des lasers et des pièges magnétiques pour abaisser continuellement la température d'un gaz composé d'atomes de rubidium. À une température aussi basse, les atomes bougent à peine et commencent à se comporter de manière très étrange.
Ils sont dans le mêmeétat quantique – presque comme des photons cohérents dans un laser – et commencent à se coller les uns aux autres, occupant le même volume qu’un superatome indiscernable. Un ensemble d’atomes se comporte essentiellement comme une seule particule.
Condensat de Bose-Einstein et informatique quantique
À l'heure actuelle, le BEC est important pour les fondamentauxrecherche et modélisation des systèmes de matière condensée. Cependant, il est également utile dans le traitement de l’information quantique. L’informatique quantique, qui en est encore à ses premiers stades de développement, utilise une variété de systèmes. Mais ils dépendent tous du fait que les bits quantiques, ou qubits, se trouvent dans le même état quantique.
La plupart des BEC sont fabriqués à partir de gaz dilués d’atomes ordinaires. Mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de créer un condensat à partir d'atomes exotiques.
Que sont les atomes exotiques ?
Les atomes exotiques sont ceux dans lesquelsune particule subatomique, telle qu'un électron ou un proton, est remplacée par une autre particule subatomique ayant la même charge. Le positronium, par exemple, est un atome exotique constitué d’un électron et de son antiparticule chargée positivement, le positron.
Exciton est un autre exemple d’« exotisme » atomique.Lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, elle possède suffisamment d’énergie pour exciter les électrons et passer du niveau de valence de l’atome à son niveau de conduction. Ces électrons excités circulent alors librement dans un courant électrique, convertissant essentiellement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Lorsqu'un électron chargé négativement effectue ce « saut », l'espace restant peut être considéré comme une particule chargée positivement. L’électron négatif et l’espace vide positif sont attirés et se lient ainsi.
Ensemble, cette paire électron-spatialeest une quasiparticule électriquement neutre connue sous le nom d'exciton. Une quasiparticule est une « entité » semblable à une particule qui n’est pas considérée comme l’une des 17 particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules.
Le modèle standard est une construction théorique enla physique des particules élémentaires, décrivant l'interaction électromagnétique, faible et forte de toutes les particules élémentaires. La formulation moderne a été achevée dans les années 2000 après confirmation expérimentale de l'existence des quarks.
Cependant, il se peut qu'elle ait encorepropriétés d'une particule élémentaire - telles que la charge et la rotation. Une quasiparticule excitonique peut également être décrite comme un atome exotique. C'est parce qu'il s'agit en fait d'un atome d'hydrogène, avec son seul proton positif remplacé par un seul vide avec une charge positive.
Les chercheurs ont appliqué une tension non uniforme à l’aide d’une lentille montée sous l’échantillon (cube rouge).
Crédit d'image et droits d'auteur : Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, Université de Tokyo
Il existe deux types d'excitons :les orthoexcitons, dans lesquels le spin de l'électron est parallèle au spin de son trou, et les paraexcitons, dans lesquels le spin de l'électron est antiparallèle (parallèle, mais dans la direction opposée) au spin de son vide (trou).
Comment les systèmes de vide d'électrons étaient-ils utilisés dans le passé ?
Les systèmes à trous électroniques ont été utilisés pourcréant d'autres phases de la matière, telles qu'un plasma d'électrons-trous et même des gouttelettes de liquide excitonique. Les scientifiques voulaient maintenant voir s'ils pouvaient créer un BEC à partir d'excitons.
Le fait est que l'observation directe de l'excitonLe condensat dans un semi-conducteur tridimensionnel est très demandé depuis que les théoriciens l'ont proposé en 1962. Personne ne savait si les quasiparticules pouvaient subir la condensation de Bose-Einstein de la même manière que les vraies particules. Comme l’expliquent les auteurs de la nouvelle étude, « c’est en quelque sorte le Saint Graal de la physique des basses températures ».
Tentatives dans le passé
Les scientifiques pensaient que l'hydrogèneLes paraexcitons créés dans l'oxyde cuivreux (Cu₂O), un composé de cuivre et d'oxygène, sont les mieux adaptés à la fabrication de BEC excitoniques dans des semi-conducteurs en vrac. Tout cela à cause de leur longue durée de vie. Des tentatives visant à créer un BEC paraexciton à des températures d'hélium liquide d'environ 2 Kelvin (-271,15 °C) ont été faites dans les années 1990, mais n'ont pas abouti. Le problème est que la création d’un BEC à partir d’excitons nécessite des températures bien inférieures.
Les orthoexcitons ne peuvent pas atteindre un niveau aussi bastempératures, car elles sont trop éphémères. Cependant, il est bien connu expérimentalement que les paraexcitons ont des durées de vie extrêmement longues, dépassant plusieurs centaines de nanosecondes, ce qui est suffisamment long pour les refroidir à la température BEC souhaitée.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Dans le cadre de l'expérience, les physiciens ont capturéparaexcitons dans une masse de Cu₂O avec une température inférieure à 400 mK (millikelvin). Pour ce faire, ils ont utilisé un réfrigérateur à dissolution, un appareil spécifiquement cryogénique. Les scientifiques l’utilisent pour tenter de réaliser des ordinateurs quantiques.
Le réfrigérateur à dilution est un appareil cryogénique,proposé pour la première fois par Heinz London. Le processus de refroidissement utilise un mélange de deux isotopes de l'hélium : ³He et ⁴He. Lorsqu'il est refroidi en dessous de 700 mK, le mélange subit une séparation de phase spontanée, formant des phases riches en ³He et riches en ⁴He.
Gros plan de l'appareil dans un réfrigérateur non cryogéniquepour se dissoudre. Le cristal cubique rouge foncé au centre de l'image est de l'oxyde cuivreux. Crédit : Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, Université de Tokyo
Ils ont ensuite directement imagé l'exciton BECdans l'espace réel. Ils ont été aidés par l’imagerie avec absorption induite dans le domaine de l’infrarouge moyen. Il s’agit d’un type de microscopie qui utilise la lumière dans la gamme infrarouge moyenne. De cette façon, les scientifiques ont pu effectuer des mesures précises, notamment la densité et la température des excitons. À leur tour, cela leur a permis de noter les différences et les similitudes entre le BEC exciton et le BEC atomique conventionnel.
Et ensuite?
Les scientifiques ne vont pas s’arrêter làatteint. Leur prochaine étape consiste à étudier la dynamique de la formation d’un BEC excitonique dans un semi-conducteur massif et à étudier les excitations collectives d’un BEC excitonique.
En conséquence, les physiciens espèrent construire une plateformebasé sur un système de BEC excitoniques. Cela permettra d’élucider ses propriétés quantiques et de mieux comprendre la mécanique quantique des qubits, fortement couplés à leur environnement.
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En couverture : press.princeton.edu