Wetenschappers hebben het proces van het creëren van een stof beschreven dat wordt bereikt bij een temperatuur “een haarbreedte” vanaf het absolute nulpunt.
Wat is een Bose-Einstein-condensaat?
Bose-Einstein-condensaat - aggregatietoestandeen stof op basis van bosonen die zijn afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Het wordt soms de vijfde toestand van de materie genoemd, samen met vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma. Theoretisch voorspeld aan het begin van de 20e eeuw, werd het Bose-Einstein-condensaat, of BEC, pas in 1995 in het laboratorium gecreëerd. Het is misschien ook de vreemdste toestand van de materie, en veel daarover blijft onbekend voor de wetenschap.
Het absolute nulpunt is de temperatuur waarbijwaarin moleculen elke beweging tegenhouden. Is gelijk aan –273,15 °C, of nul op de schaal van Kelvin. Wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert, beginnen zich enkele nogal vreemde verschijnselen voor te doen.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC treedt op wanneer een groep atomen afkoeltmet een nauwkeurigheid tot een miljardste van een graad boven het absolute nulpunt. Meestal gebruiken natuurkundigen lasers en magnetische vallen om de temperatuur van een gas dat bestaat uit rubidiumatomen voortdurend te verlagen. Bij zo’n ultralage temperatuur bewegen de atomen nauwelijks en beginnen ze zich heel vreemd te gedragen.
Ze zitten in hetzelfdekwantumtoestand – bijna als coherente fotonen in een laser – en beginnen aan elkaar te plakken en nemen hetzelfde volume in beslag als één niet te onderscheiden superatoom. Een verzameling atomen gedraagt zich in wezen als één deeltje.
Bose-Einstein condensaat en quantum computing
Op dit moment is BEC belangrijk voor fundamenteelonderzoek en modellering van systemen met gecondenseerde materie. Het is echter ook nuttig bij de verwerking van kwantuminformatie. Quantum computing, dat zich nog in de beginfase van ontwikkeling bevindt, maakt gebruik van een verscheidenheid aan systemen. Maar ze zijn allemaal afhankelijk van het feit dat kwantumbits, of qubits, zich in dezelfde kwantumtoestand bevinden.
De meeste BEC's zijn gemaakt van verdunde gassen van gewone atomen. Maar tot nu toe is het niet mogelijk geweest om condensaat te creëren uit exotische atomen.
Wat zijn exotische atomen?
Exotische atomen zijn die waarinéén subatomair deeltje, zoals een elektron of proton, wordt vervangen door een ander subatomair deeltje met dezelfde lading. Positronium is bijvoorbeeld een exotisch atoom dat bestaat uit een elektron en zijn positief geladen antideeltje, het positron.
Exciton is een ander voorbeeld van atomair ‘exotisme’.Wanneer licht een halfgeleider raakt, heeft het voldoende energie om elektronen te exciteren en van het valentieniveau van het atoom naar zijn geleidingsniveau te gaan. Deze aangeslagen elektronen stromen vervolgens vrijelijk in een elektrische stroom, waardoor lichtenergie in wezen wordt omgezet in elektrische energie. Wanneer een negatief geladen elektron deze "sprong" maakt, kan de resterende ruimte als een positief geladen deeltje worden beschouwd. Het negatieve elektron en de positieve lege ruimte worden aangetrokken en binden zich dus.
Samen dit elektron-ruimtelijke paaris een elektrisch neutraal quasideeltje dat bekend staat als een exciton. Een quasideeltje is een deeltjesachtige ‘entiteit’ die niet wordt beschouwd als een van de 17 elementaire deeltjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Het standaardmodel is een theoretische constructie inelementaire deeltjesfysica, die de elektromagnetische, zwakke en sterke interactie van alle elementaire deeltjes beschrijft. De moderne formulering werd voltooid in de jaren 2000 na experimentele bevestiging van het bestaan van quarks.
Het kan echter zijn dat ze dat nog steeds heefteigenschappen van een elementair deeltje - zoals lading en rotatie. Een excitonisch quasideeltje kan ook worden omschreven als een exotisch atoom. Dat komt omdat het eigenlijk een waterstofatoom is, waarbij het enkele positieve proton is vervangen door een enkele leegte met een positieve lading.
De onderzoekers pasten een niet-uniforme spanning toe met behulp van een lens die onder het monster was gemonteerd (rode kubus).
Image Credit & Copyright: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, Universiteit van Tokio
Er zijn twee soorten excitonen:orthoexcitonen, waarbij de elektronenspin evenwijdig is aan de spin van zijn gat, en paraexcitonen, waarbij de elektronenspin antiparallel (parallel, maar in de tegenovergestelde richting) is aan de spin van zijn leegte (gat).
Hoe werden elektronen-leegte-systemen in het verleden gebruikt?
Hiervoor zijn elektronengatsystemen gebruiktwaardoor andere fasen van materie ontstaan, zoals elektronengatplasma en zelfs excitonische vloeistofdruppeltjes. De wetenschappers wilden nu kijken of ze een BEC konden creëren uit excitonen.
Het punt is die directe observatie van het excitonEr is veel vraag naar condensaat in een driedimensionale halfgeleider sinds theoretici dit in 1962 voorstelden. Niemand wist of quasideeltjes op dezelfde manier Bose-Einstein-condensatie konden ondergaan als echte deeltjes.” Zoals de auteurs van de nieuwe studie uitleggen: “Dit is een soort heilige graal van de lage-temperatuurfysica.”
Pogingen in het verleden
Wetenschappers geloofden dat waterstofachtig wasPara-excitonen gemaakt in koperoxide (Cu₂O), een verbinding van koper en zuurstof, zijn het meest geschikt voor het vervaardigen van excitonische BEC's in bulkhalfgeleiders. Allemaal vanwege hun lange levensduur. Pogingen om een paraexciton BEC te creëren bij vloeibare heliumtemperaturen van ongeveer 2 Kelvin (-271,15 ° C) werden al in de jaren negentig ondernomen, maar waren niet succesvol. Het probleem is dat het creëren van een BEC uit excitonen temperaturen vereist die veel lager zijn.
Ortho-excitonen kunnen zo'n laag niveau niet bereikentemperaturen, omdat ze een te korte levensduur hebben. Het is echter experimenteel bekend dat para-excitonen een extreem lange levensduur hebben, van meer dan enkele honderden nanoseconden, wat lang genoeg is om ze af te koelen tot de gewenste BEC-temperatuur.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Als onderdeel van het experiment vingen natuurkundigenparaexcitonen in een massa Cu₂O met een temperatuur lager dan 400 mK (millikelvin). Om dit te doen, gebruikten ze een oplossingskoelkast, een specifiek cryogeen apparaat. Wetenschappers gebruiken het in een poging kwantumcomputers te realiseren.
De verdunningskoelkast is een cryogeen apparaat,voor het eerst voorgesteld door Heinz London. Het koelproces maakt gebruik van een mengsel van twee heliumisotopen: ³He en ⁴He. Bij afkoeling tot onder 700 mK ervaart het mengsel spontane fasescheiding, waarbij fasen worden gevormd die rijk zijn aan ³He en rijk aan ⁴He.
Close-up van het apparaat in een niet-cryogene koelkastom op te lossen. Het donkerrode kubusvormige kristal in het midden van de afbeelding is koperoxide. Credit: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka en Makoto Kuwata-Gonokami, Universiteit van Tokio
Vervolgens brachten ze direct het exciton BEC in beeldin de echte ruimte. Ze werden geholpen door beeldvorming met geïnduceerde absorptie in het midden-infraroodbereik. Dit is een vorm van microscopie waarbij gebruik wordt gemaakt van licht in het midden-infraroodbereik. Op deze manier konden wetenschappers nauwkeurige metingen doen, waaronder de dichtheid en temperatuur van excitonen. Hierdoor konden ze op hun beurt de verschillen en overeenkomsten tussen exciton BEC en conventionele atomaire BEC opmerken.
Wat is de volgende stap?
Wetenschappers zullen het daar niet bij latenbereikt. Hun volgende stap is het bestuderen van de dynamiek van de vorming van een excitonische BEC in een bulkhalfgeleider en het bestuderen van de collectieve excitaties van een excitonische BEC.
Als gevolg hiervan hopen natuurkundigen een platform te bouwengebaseerd op een systeem van excitonische BEC's. Dit zal helpen de kwantumeigenschappen ervan te verduidelijken en de kwantummechanica van qubits, die sterk gekoppeld zijn aan hun omgeving, beter te begrijpen.
Lees verder:
Starlink-signaal gehackt om te worden gebruikt als alternatief voor GPS
"Hubble" keek in het "sleutelgat" van het universum
NASA onthulde de oorsprong van Haumea - de meest mysterieuze planeet in het zonnestelsel
Op de omslag: press.princeton.edu