Des physiciens de l’Université de Tokyo ont développé le premier condensat de Bose-Einstein à partir de quasi-particules, une percée historique qui pourrait faire progresser l’informatique quantique de manière significative.
Le condensat de Bose-Einstein est connu comme le «cinquième état» énigmatique de la matière, aux côtés des solides, des liquides, des gaz et des plasmas. Aujourd’hui, des experts ont créé le premier condensat de Bose-Einstein à partir de quasiparticules – des entités qui ne sont pas des particules élémentaires mais qui présentent des propriétés similaires, telles que la charge et le spin.
Pendant des décennies, les scientifiques ne savaient pas si les quasi-particules pouvaient subir une condensation de Bose-Einstein de la même manière que les particules réelles, leurs découvertes ayant potentiellement des ramifications importantes pour faire progresser les technologies quantiques.
Le document de recherche, ‘Observation de condensats de Bose-Einstein d’excitons dans un semi-conducteur massif,’ est publié dans Communication Nature.
Qu’est-ce qu’un condensat de Bose-Einstein ?
Le condensat de Bose-Einstein a été prédit pour la première fois au début du XXe siècle et n’a été créé dans un laboratoire qu’en 1995, et reste l’état le plus étrange et le plus mystérieux de la matière. Les condensats de Bose-Einstein se produisent lorsqu’un groupe d’atomes est refroidi à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Pour y parvenir, les scientifiques utilisent traditionnellement des lasers et des pièges magnétiques pour réduire progressivement la température d’un gaz, généralement composé d’atomes de rubidium.
Les atomes bougent à peine à cette température et commencent à montrer un comportement inhabituel. Ils connaissent le même état quantique et commencent à fusionner, occupant le même volume qu’un «super atome» indiscernable qui se comporte essentiellement comme une particule unique.
Les condensats de Bose-Einstein font l’objet de nombreuses recherches fondamentales, y compris dans la simulation de systèmes de matière condensée, et ont une gamme d’applications dans le traitement de l’information quantique. L’informatique quantique est encore à ses balbutiements et utilise divers systèmes, qui dépendent tous de bits quantiques (qubits) dans le même état quantique. De manière prédominante, un condensat de Bose-Einstein est créé à partir de gaz dilués d’atomes ordinaires, un condensat de Bose-Einstein fabriqué à partir d’atomes exotiques n’ayant jamais été réalisé jusqu’à présent.
Comprendre les quasiparticules
Un atome exotique est un atome où une particule subatomique, comme un électron ou un proton, est remplacée par une autre particule subatomique avec la même charge. Par exemple, le positronium est un atome exotique constitué d’un électron et de son antiparticule chargée positivement, un positron.
Un exciton est un autre exemple. Lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, l’énergie est suffisamment forte pour exciter les électrons, les faisant sauter du niveau de valence d’un atome à son niveau de conduction. Ces électrons excités peuvent circuler librement dans un courant électrique, transformant l’énergie lumineuse en énergie électrique. Lorsque des électrons chargés négativement effectuent ce saut, le trou laissé derrière peut être traité comme s’il s’agissait d’une particule chargée positivement, l’électron négatif et le trou positif étant attirés et liés ensemble.
Cette paire électron-trou est une quasi-particule électriquement neutre appelée exciton. Les quasiparticules ne comptent pas comme l’une des 17 particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules, mais présentent toujours des propriétés de particules élémentaires telles que la charge et le spin. Il existe deux formes d’excitons : les orthoexcitons, dans lesquels le spin de l’électron est parallèle au spin de son trou, et les paraexcitons, où le spin est antiparallèle à son trou. Les systèmes électron-trou ont été utilisés pour créer d’autres phases de la matière, telles que le plasma électron-trou et même des gouttelettes liquides d’excitons, ce qui a conduit les recherches à déterminer s’ils pouvaient produire un condensat de Bose-Einstein à partir d’excitons.
Makoto Kuwata-Gonokami, physicien à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’article, a commenté : « L’observation directe d’un condensat d’excitons dans un semi-conducteur tridimensionnel est très recherchée depuis sa première proposition théorique en 1962. Personne savaient si les quasiparticules pouvaient subir la condensation de Bose-Einstein de la même manière que les particules réelles. C’est le Saint Graal de la physique des basses températures.
Pionnier d’un condensat d’excitons
L’équipe pensait que le candidat le plus prometteur pour la fabrication de condensats d’exciton Bose-Einstein dans un semi-conducteur en vrac était les paraexcitons de type hydrogène créés dans l’oxyde cuivreux (Cu2O), un composé de cuivre et d’oxygène, en raison de leur longue durée de vie.
Dans les années 1990, les chercheurs ont tenté de créer un condensat de paraexciton Bose-Einstein à des températures d’hélium liquide d’environ 2 K, mais ont échoué en raison de la nécessité de températures beaucoup plus froides. Les orthoexcitons ne peuvent pas atteindre une température aussi basse car ils ont une durée de vie trop courte, tandis que les paraexcitons ont une durée de vie extrêmement longue de plusieurs centaines de nanosecondes – suffisamment longue pour les refroidir à la température souhaitée d’un condensat de Bose-Einstein.
Les physiciens ont pu piéger les paraexcitons dans la masse de Cu2O en dessous de 400 millikelvins en utilisant un réfrigérateur à dilution qui refroidit en combinant deux isotopes d’hélium. Ils ont ensuite visualisé le condensat d’excitons de Bose-Einstein dans l’espace réel en utilisant l’imagerie par absorption induite dans l’infrarouge moyen. Cela a permis à l’équipe d’obtenir des mesures de précision, telles que la densité et la température des excitons, leur permettant d’observer les différences et les similitudes entre l’exciton et les condensats atomiques réguliers de Bose-Einstein.
Les chercheurs visent maintenant à étudier la dynamique de la formation du condensat d’exciton Bose-Einstein dans le semi-conducteur massif et ses excitations collectives. Leur objectif premier est de construire une plateforme basée sur un système de ces condensats d’excitons de Bose-Einstein pour mieux comprendre la mécanique quantique des qubits.
