Les condensats de Bose-Einstein sont parfois décrits comme le cinquième état de la matière. Ils n’ont été créés dans un laboratoire qu’en 1995. Ils connaissent le même état quantique – presque comme des photons cohérents dans un laser – et commencent à s’agglutiner, occupant le même volume qu’un super atome indiscernable.
Actuellement, les BEC font 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, un BEC composé d’atomes exotiques n’a jamais été réalisé.
Des scientifiques de la Université de Tokyo voulait voir s’ils pouvaient fabriquer un BEC à partir d’excitons. À l’aide de quasi-particules, ils ont créé le premier Condensat de Bose-Einstein — le mystérieux “cinquième état” de la matière. La découverte devrait avoir un impact significatif sur le développement des technologies quantiques, y compris l’informatique quantique.
La paire électron-trou combinée est une « quasi-particule » électriquement neutre appelée exciton. La quasi-particule 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.
Makoto Kuwata-Gonokami, physicien à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’article, a dit, «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 quasiparticules 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, étaient 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 de production de paraexciton BEC à des températures d’hélium liquide d’environ 2 K avaient été faites. Pourtant, ils avaient échoué parce que des températures beaucoup 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 par expérience que les paraexcitons ont une très longue durée de vie de plus de quelques centaines de nanosecondes, ce qui est suffisant 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 essayant de développer des ordinateurs quantiques, pour piéger les paraexcitons dans la majorité des 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 gamme 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 l’exciton BEC et le BEC atomique conventionnel.
Les scientifiques veulent en outre étudier la dynamique de la formation de l’exciton BEC dans le semi-conducteur massif et étudier les excitations collectives des excitons BEC. Leur objectif ultime est de construire une plate-forme 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.
Référence de la revue :
- Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka et Makoto Kuwata-Gonokami, “Observation des condensats d’excitons de Bose-Einstein dans un semi-conducteur en vrac”, Communication Nature: 14 septembre 2022. DEUX : 10.1038/s41467-022-33103-4
