Les condensats de Bose-Einstein sont parfois décrits comme le cinquième état de la matière. Ils n’ont été créés en laboratoire qu’en 1995. Ils subissent le même état quantique – presque comme des photons cohérents dans un laser – et commencent à s’agglutiner, occupant le même volume qu’un superatome indiscernable.
Actuellement, les BEC font encore l'objet de nombreuses recherches fondamentales pour simuler les systèmes de matière condensée, mais en principe, ils ont des applications dans traitement de l'information quantique. La plupart des BEC sont fabriqués à partir de gaz dilués d’atomes ordinaires. Mais jusqu’à présent, aucun BEC composé d’atomes exotiques n’a jamais été réalisé.
Les scientifiques de la Université de Tokyo Je voulais voir s'ils pouvaient fabriquer un BEC avec des excitons. En utilisant des quasiparticules, ils ont créé le premier Condensat de Bose-Einstein — le mystérieux « cinquième état » de la matière. Cette découverte devrait avoir un impact significatif sur le développement des technologies quantiques, notamment l'informatique quantique.
La paire combinée électron-trou est une « quasiparticule » électriquement neutre appelée exciton. La quasiparticule d’exciton peut également être décrite comme un atome exotique car il s’agit en fait d’un atome d’hydrogène dont l’unique proton positif a été remplacé par un seul trou positif.
Le cristal d'oxyde cuivreux (cube rouge) a été placé sur une platine d'échantillon au centre du réfrigérateur à dilution. Les chercheurs ont fixé des fenêtres sur les protections du réfrigérateur qui permettaient un accès optique à la platine d'échantillonnage dans quatre directions. Les fenêtres dans deux directions permettaient la transmission de la lumière d’excitation (ligne continue orange) et de la luminescence des paraexcitons (ligne continue jaune) dans la région visible. Les fenêtres dans les deux autres directions permettaient la transmission de la lumière de la sonde (ligne continue bleue) pour l’imagerie par absorption induite. Pour réduire la chaleur entrante, les chercheurs ont soigneusement conçu les fenêtres en minimisant l'ouverture numérique et en utilisant un matériau de fenêtre spécifique. Cette conception spécialisée des fenêtres et la puissance de refroidissement élevée du réfrigérateur à dilution sans cryogène ont facilité la réalisation d'une température de base minimale de 64 millikelvins. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, Université de Tokyo
Makoto Kuwata-Gonokami, physicien à l'Université de Tokyo et co-auteur de l'article, a affirmé Valérie Plante., « L’observation directe d’un condensat d’excitons dans un semi-conducteur tridimensionnel est très recherchée depuis sa première proposition théorique en 1962. Personne ne savait si les quasi-particules pouvaient subir une condensation de Bose-Einstein de la même manière que les particules réelles. C’est en quelque sorte le Saint Graal de la physique des basses températures.
En raison de leur durée de vie prolongée, les paraexcitons produits dans l'oxyde cuivreux (Cu2O), un mélange de cuivre et d'oxygène, ont été considérés comme l'une des possibilités les plus prometteuses pour générer des BEC d'excitons en masse. semi-conducteur. Dans les années 1990, des tentatives ont été faites pour produire du paraexciton BEC à des températures d'hélium liquide d'environ 2 K. Pourtant, ils ont échoué car des températures bien plus basses sont nécessaires pour produire un BEC à partir d’excitons. Parce qu’ils sont trop transitoires, les orthoexcitons ne peuvent pas atteindre une température aussi basse. Cependant, on sait expérimentalement que les paraexcitons ont une très longue durée de vie, supérieure à quelques centaines de nanosecondes, suffisante pour les refroidir à la température nécessaire d'un BEC.
L'équipe a utilisé un réfrigérateur à dilution, un appareil cryogénique qui refroidit en combinant deux isotopes de hélium et est fréquemment utilisé par les scientifiques qui tentent de développer des ordinateurs quantiques pour piéger les paraexcitons dans la majorité du Cu2O en dessous de 400 millikelvins. Ensuite, ils ont utilisé l’imagerie par absorption induite dans l’infrarouge moyen, une sorte de microscopie qui utilise la lumière dans le milieu de la plage infrarouge, pour visualiser directement l’exciton BEC dans l’espace réel.
En conséquence, l’équipe a pu obtenir des mesures précises de la densité et de la température des excitons, ce qui leur a permis d’identifier les différences et les similitudes entre le BEC à exciton et le BEC atomique conventionnel.
Les chercheurs ont appliqué une contrainte inhomogène à l’aide d’une lentille placée sous l’échantillon (cube rouge). La contrainte inhomogène se traduit par un champ de déformation inhomogène qui agit comme un potentiel piège pour les excitons. Le faisceau d’excitation (ligne continue orange) était focalisé sur le bas du potentiel de piège dans l’échantillon. Un exciton (sphère jaune) est constitué d'un électron (sphère bleue) et d'un trou (sphère rouge). L’équipe a détecté les excitons soit par luminescence (teinte jaune), soit par transmission différentielle de la lumière de la sonde (teinte bleue). Une lentille d’objectif placée derrière l’échantillon a collecté la luminescence des excitons. Le faisceau sonde se propage également à travers la lentille de l’objectif. ©2022 Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, Université de Tokyo
Les scientifiques souhaitent en outre étudier la dynamique de la formation des excitons BEC dans le semi-conducteur massif et étudier les excitations collectives des excitons BEC. Leur objectif ultime est de construire une plateforme basée sur un système de BEC d’excitons pour élucider davantage ses propriétés quantiques et développer une meilleure compréhension de la mécanique quantique des qubits fortement couplés à leur environnement.
Journal de référence:
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, « Observation des condensats d'excitons de Bose-Einstein dans un semi-conducteur en vrac », Communications Nature: 14 septembre 2022. DOI : 10.1038/s41467-022-33103-4
