科学者たちは、絶対零度から「 髪の毛の幅」の 温度で達成される物質を作成するプロセスを説明しています。
ボーズ・アインシュタイン凝縮体とは何ですか?
ボース・アインシュタイン凝縮体は、以下に基づく物質の集合体状態です。ボソンは絶対零度に近い温度まで冷却された。理論的には20世紀初頭に 予測された 、 凝縮物ボース・アインシュタイン系列(BEC)は、1995 年に 研究室で作られたばかりで、おそらく最も奇妙な物質の状態であり、 科学には知られ ていない部分が多い。
絶対零度は次の温度です。そこでは分子があらゆる動きを停止します。 –273.15 °C、つまりケルビン スケールのゼロに相当します。温度が絶対零度に近づくと、いくつかの奇妙な現象が起こり始めます。
写真: NIST/ウィキメディア・コモンズ
BEC は原子のグループが冷えるときに発生します絶対零度を 10 億分の 1 度上回る精度で測定します。通常、物理学者はレーザーと磁気トラップを使用して、ルビジウム原子で構成されるガスの温度を継続的に下げます。このような超低温では、原子はほとんど動かず、非常に奇妙な動作を始めます。
彼らは同じです量子状態はレーザー内のコヒーレントな光子とほぼ同じであり、互いにくっつき始め、区別できない超原子 1 つと同じ体積を占めます。原子の集合は基本的に 1 つの粒子のように動作します。
ボーズ・アインシュタイン凝縮と量子コンピューティング
現時点では、BEC は基本的な観点から重要です。凝縮系の研究とモデリング。ただし、量子情報処理にも役立ちます。量子コンピューティングはまだ開発の初期段階にあり、さまざまなシステムが使用されます。しかし、それらはすべて、同じ量子状態にある量子ビット、または量子ビットに依存します。
ほとんどの BEC は通常の原子の希ガスから作られます。しかし、これまでエキゾチック原子から凝縮体を生成することはできませんでした。
エキゾチック原子とは？
エキゾチック原子とは、電子や陽子などの 1 つの亜原子粒子が、同じ電荷を持つ別の亜原子粒子に置き換えられます。たとえば、ポジトロニウムは、電子とその正に荷電した反粒子である陽電子から構成されるエキゾチックな原子です。
エキシトンは原子の「エキゾチシズム」のもう一つの例です。光が半導体に当たると、電子を励起して原子の価数準位から伝導準位に移動するのに十分なエネルギーがあります。これらの励起された電子は電流の中を自由に流れ、本質的に光エネルギーを電気エネルギーに変換します。負に帯電した電子がこの「ジャンプ」を行うと、残りの空間は正に帯電した粒子と考えることができます。マイナスの電子とプラスの空いた空間が引き付けられて結合します。
この電子と空間のペアが一緒になって励起子として知られる電気的に中性の準粒子です。準粒子は、素粒子物理学の標準モデルの 17 個の素粒子の 1 つとはみなされない、粒子のような「実体」です。
標準モデルは、素粒子物理学、すべての素粒子の電磁気的で弱い相互作用と強い相互作用を説明します。クォークの存在が実験的に確認された後、2000 年代に現代的な定式化が完成しました。
しかし、彼女はまだ持っているかもしれません素粒子の性質 - 電荷や回転など。励起子準粒子は、エキゾチック原子として記述することもできます。それは実際には水素原子であり、その単一の正の陽子が正の電荷を持つ単一の空隙に置き換えられているためです。
研究者らは、サンプル (赤い立方体) の下に取り付けられたレンズを使用して、不均一な電圧を印加しました。
画像のクレジットと著作権: 森田祐介、吉岡浩介、桑田五神真、東京大学
励起子には 2 種類あります。電子のスピンがその正孔のスピンと平行であるオルト励起子と、電子のスピンがその空隙（正孔）のスピンに対して反平行（平行だが逆方向）であるパラ励起子です。
過去に電子ボイドシステムはどのように使用されていましたか?
電子正孔システムはこれまでに使用されてきました。電子正孔プラズマや励起子液滴など、物質の他の相を生成します。そして科学者たちは、励起子から BEC を作成できるかどうかを確認したいと考えました。
重要なのは、励起子を直接観察することです。三次元半導体中の凝縮物は、1962 年に理論家が提案して以来、高い需要がありました。準粒子が実際の粒子と同じようにボース・アインシュタイン凝縮を起こすことができるかどうかは誰も知りませんでした。」新しい研究の著者らは、「これは低温物理学の聖杯のようなもの」と説明している。
過去の試み
科学者たちは、水素に似ていると信じていました。銅と酸素の化合物である酸化亜銅 (Cu₂O) で生成される準励起子は、バルク半導体で励起子 BEC を作製するのに最適です。すべては寿命が長いためです。約 2 ケルビン (-271.15 °C) の液体ヘリウム温度で準励起子 BEC を生成する試みは 1990 年代に行われましたが、成功しませんでした。問題は、励起子から BEC を作成するには、これよりもはるかに低い温度が必要であることです。
オルト励起子はそのような低い値に達することはできませんそれらはあまりにも短命であるためです。ただし、準励起子の寿命は数百ナノ秒を超える非常に長いことが実験的によく知られており、これは所望の BEC 温度まで冷却するのに十分な長さです。
科学者たちは何をしましたか？
実験の一環として、物理学者たちは次のことを発見しました。温度 400 mK (ミリケルビン) 未満の Cu₂O の塊内の準励起子。これを行うために、彼らは溶解冷凍機、特に極低温装置を使用しました。科学者は量子コンピューターの実現を目指してこれを使用しています。
希釈冷凍機は極低温装置です。Heinz London によって最初に提案されました。冷却プロセスでは、3 He と 4 He の 2 つのヘリウム同位体の混合物を使用します。 700 mK 未満に冷却すると、混合物は自発的に相分離を起こし、3He が豊富な相と 4He が豊富な相が形成されます。
非極低温冷凍機内の装置の拡大図 画像の中央にある暗赤色の立方体結晶は亜酸化銅です。 クレジット: 森田裕介、吉岡康介、桑田五神誠、東京大学
その後、彼らは励起子 BEC を直接イメージングしました。実空間で。これらは、中赤外域の誘起吸収による画像化によって助けられました。中赤外域の光を使用する顕微鏡の一種です。このようにして、科学者は励起子の密度や温度などを正確に測定することができました。これにより、励起子 BEC と従来の原子 BEC の違いと類似点に気づくことができました。
次は何ですか？
科学者たちはそこで止まるつもりはない達成。彼らの次のステップは、バルク半導体における励起子的 BEC の形成のダイナミクスを研究し、励起子的 BEC の集団励起を研究することです。
その結果、物理学者はプラットフォームを構築したいと考えています励起子 BEC のシステムに基づいています。これは、その量子特性を解明し、環境と強く結びついている量子ビットの量子力学をより深く理解するのに役立ちます。
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表紙: press.princeton.edu