研究人员创造了第一个准粒子玻色 - 爱因斯坦凝聚物

设备在无冷冻剂稀释冰箱中的特写图片。图片中心的深红色立方晶体是氧化亚铜。放置在晶体后面的硒化锌半月板透镜是物镜。晶体下方的棒和级用于在晶体中产生不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。图片来源：森田雄介、吉冈浩介、桑田刚上诚、东京大学

物理学家创造了第一个玻色 - 爱因斯坦凝聚物 - 神秘的第五态物质 - 由准粒子组成，这些实体不算作基本粒子，但仍然可以具有电荷和自旋等基本粒子特性。几十年来，人们一直不知道它们是否能像真实粒子一样经历玻色-爱因斯坦凝聚，现在看来它们可以。这一发现将对包括量子计算在内的量子技术的发展产生重大影响。

一篇描述该物质的产生过程的论文发表在《自然通讯》杂志上，该物质在绝对零度的头发宽度的温度下实现。

玻色 - 爱因斯坦凝聚物有时被描述为物质的第五态，与固体，液体，气体和等离子体一起。理论上预测，在20世纪初，玻色 - 爱因斯坦凝聚物或BEC仅在1995年在实验室中产生。它们也可能是最奇怪的物质状态，科学界对它们还有很多未知之处。

当一组原子冷却到绝对零度以上的十亿分之一度以内时，就会发生BEC。研究人员通常使用激光和磁铁阱来稳定降低通常由铷原子组成的气体的温度。在这种超酷的温度下，原子几乎不移动，开始表现出非常奇怪的行为。

它们经历相同的量子态——几乎就像激光中的相干光子——并开始聚集在一起，占据与一个无法区分的超级原子相同的体积。原子的集合本质上表现为单个粒子。

目前，BEC仍然是许多基础研究的主题，并且用于模拟凝聚态物质系统，但原则上，它们在量子信息处理中具有应用。量子计算仍处于发展的早期阶段，它利用了许多不同的系统。但它们都依赖于处于相同量子态的量子比特或量子比特。

将氧化亚铜晶体（红色立方体）放置在稀释冰箱中心的样品台上。研究人员将窗户连接到冰箱的屏蔽层上，允许从四个方向光学访问样品台。两个方向的窗口允许在可见光区域传输激发光（橙色实线）和来自旁激子（黄色实线）的发光。其他两个方向的窗口允许探头光（蓝色实线）的传输，以进行诱导吸收成像。为了减少传入的热量，研究人员通过最小化数值孔径和使用特定的窗户材料来仔细设计窗户。这种针对窗户的专门设计和无冷冻剂稀释冰箱的高冷却能力有助于实现64毫开尔文的最低基本温度。图片来源：森田雄介、吉冈浩介、桑田刚上诚、东京大学

大多数BEC是由普通原子的稀薄气体制成的。但直到现在，从未实现过由奇异原子制成的BEC。

奇异原子是一个亚原子粒子（如电子或质子）被另一个具有相同电荷的亚原子粒子取代的原子。例如，正电子是一个由电子及其带正电的反粒子（正电子）组成的奇异原子。

激子是另一个这样的例子。当光照射到半导体上时，能量足以激发电子从原子的价位跳到其传导能级。然后，这些激发的电子在电流中自由流动 - 本质上是将光能转化为电能。当带负电的电子进行这种跳跃时，留下的空间或空穴可以被视为带正电的粒子。负电子和正空穴被吸引并因此结合在一起。

结合在一起，这个电子 - 空穴对是一个称为激子的电中性准粒子。准粒子是一种类似粒子的实体，它不算作粒子物理学标准模型中的17个基本粒子之一，但它仍然可以具有电荷和自旋等基本粒子性质。激子准粒子也可以被描述为一个奇异的原子，因为它实际上是一个氢原子，其单个正质子已被单个正孔取代。

激子有两种类型：正射子，其中电子的自旋与其空穴的自旋平行，以及副子，其中电子自旋与其空穴的自旋是反平行的（平行但方向相反）。

电子空穴系统已被用于产生物质的其他相，例如电子空穴等离子体甚至激子液滴。研究人员想看看他们是否能用激子制造出BEC。

研究人员使用样品（红色立方体）下的透镜组施加不均匀应力。不均匀应力导致不均匀的应变场，其充当激子的陷阱电位。激发光束（橙色实线）聚焦在样品中陷阱电位的底部。激子（黄色球体）由一个电子（蓝色球体）和一个空穴（红色球体）组成。该团队通过发光（黄色阴影）或探针光的差异透射（蓝色阴影）检测激子。样品后面的物镜从激子中收集发光。探针光束也通过物镜传播。图片来源：森田雄介、吉冈浩介、桑田刚上诚、东京大学

“自1962年首次提出理论以来，直接观察三维半导体中的激子凝聚物一直备受追捧。没有人知道准粒子是否可以像真实粒子一样经历玻色 - 爱因斯坦凝聚，“东京大学物理学家，该论文的合著者桑田-Gonokami诚人说。“这是低温物理学的圣杯。

研究人员认为，在氧化亚铜（Cu2O）是铜和氧的化合物，是制造块体半导体中激子BEC的最有希望的候选者之一，因为它们的使用寿命长。1990年代曾尝试在约2 K的液氦温度下产生副子BEC，但失败了，因为为了从激子中产生BEC，需要的温度远低于该温度。

正交子不能达到如此低的温度，因为它们的寿命太短。然而，在实验上众所周知，副子具有超过几百纳秒的极长寿命，足以将它们冷却到BEC的所需温度。

该团队设法将副子捕获在大部分Cu中。2O低于400毫开尔文使用稀释冰箱，稀释冰箱是一种低温装置，通过将两种氦同位素混合在一起来冷却，并且通常是试图实现量子计算机的科学家。

然后，他们通过使用中红外诱导吸收成像直接可视化真实空间中的激子BEC，这是一种利用红外范围中间光的显微镜。这使得该团队能够进行精确的测量，包括激子的密度和温度，这反过来又使他们能够标记出激子BEC和常规原子BEC之间的差异和相似之处。

该小组的下一步将是研究激子BEC在体半导体中如何形成的动力学，并研究激子BEC的集体激发。他们的最终目标是建立一个基于激子BEC系统的平台，以进一步阐明其量子特性，并更好地了解与其环境紧密耦合的量子比特的量子力学。

更多信息：森田雄介等，“本体半导体中激子的玻色- 爱因斯坦凝聚物的观察”，自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-33103-4

期刊信息：自然通讯