최초의 준입자 보스-아인슈타인 응축물 - Sciencetimes

물리학자들은 기본 입자로 간주되지 않지만 여전히 전하 및 스핀과 같은 기본 입자 특성을 가질 수 있는 실체인 준입자로 만든 최초의 보스-아인슈타인 응축물(물질의 신비한 “제5 상태”)을 만들었습니다. 수십 년 동안 실제 입자와 같은 방식으로 보스-아인슈타인 응축을 겪을 수 있는지 여부는 알려지지 않았으며 이제는 그럴 수 있는 것으로 보입니다. 이번 발견은 양자 컴퓨팅을 포함한 양자 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

절대 영도에서 머리카락 굵기까지의 온도에서 물질 생성 과정을 설명하는 논문이 저널에 게재되었습니다. 네이처 커뮤니케이션즈.

보스-아인슈타인 응축물은 때때로 고체, 액체, 기체 및 플라즈마와 함께 물질의 다섯 번째 상태로 설명됩니다. 20세기 초에 이론적으로 예측된 ​​보스-아인슈타인 응축물, 또는 BEC는 1995년에야 실험실에서 생성되었습니다. 또한 아마도 가장 이상한 물질 상태일 것입니다. 이 물질에 대한 많은 부분이 과학에 알려지지 않은 상태로 남아 있습니다.

BEC는 원자 그룹이 절대 영도보다 10억분의 1도 이내로 냉각될 때 발생합니다. 연구원들은 일반적으로 루비듐 원자로 구성된 가스의 온도를 꾸준히 낮추기 위해 레이저와 “자석 트랩”을 사용합니다. 이 극저온의 온도에서 원자는 거의 움직이지 않고 매우 이상한 행동을 보이기 시작합니다. 그들은 거의 레이저의 일관된 광자와 같은 동일한 양자 상태를 경험하고 함께 덩어리지기 시작하여 하나의 구별할 수 없는 “슈퍼 원자”와 같은 부피를 차지합니다. 원자의 집합은 본질적으로 단일 입자처럼 행동합니다.

현재 BEC는 많은 기초 연구의 대상으로 남아 있으며 응집 물질 시스템을 시뮬레이션하지만 원칙적으로 양자 정보 처리에 응용할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 아직 개발 초기 단계에 있으며 다양한 시스템을 사용합니다. 그러나 그것들은 모두 동일한 양자 상태에 있는 양자 비트 또는 큐비트에 의존합니다.

대부분의 BEC는 일반 원자의 희석 가스로 제조됩니다. 그러나 지금까지 이국적인 원자로 만든 BEC는 달성된 적이 없습니다.

외래 원자는 전자 또는 양성자와 같은 하나의 아원자 입자가 동일한 전하를 갖는 다른 아원자 입자로 대체된 원자입니다. 예를 들어, 양전자는 전자와 양전하를 띤 반입자인 양전자로 구성된 이국적인 원자입니다.

“엑시톤”은 또 다른 예입니다. 빛이 반도체에 부딪힐 때 에너지는 전자를 “여기”하여 원자의 원자가 수준에서 전도 수준으로 점프하기에 충분합니다. 이 여기된 전자는 전류에서 자유롭게 흐릅니다. 본질적으로 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 음전하를 띤 전자가 이 점프를 수행할 때 남겨진 공간 또는 “구멍”은 양전하를 띤 입자처럼 처리될 수 있습니다. 음의 전자와 양의 정공은 끌어당겨서 함께 결합됩니다.

결합된 이 전자-정공 쌍은 여기자(exciton)라고 하는 전기적으로 중성인 “준입자”입니다. 준 입자는 입자 물리학의 표준 모델의 17개 기본 입자 중 하나로 계산되지 않지만 여전히 전하 및 스핀과 같은 기본 입자 특성을 가질 수 있는 입자와 같은 개체입니다. 엑시톤 준입자는 또한 하나의 양의 양성자를 하나의 양의 구멍으로 대체한 사실상 수소 원자이기 때문에 외래 원자로 설명될 수 있습니다.

엑시톤은 두 가지 맛이 있습니다. 전자의 스핀이 정공의 스핀과 평행한 직교 엑시톤과 전자 스핀이 정공의 스핀과 역평행(평행하지만 반대 방향)인 파라엑시톤입니다.

전자-정공 시스템은 전자-정공 플라즈마 및 엑시톤 액적과 같은 물질의 다른 상을 생성하는 데 사용되었습니다. 연구원들은 엑시톤으로 BEC를 만들 수 있는지 확인하기를 원했습니다.

Makoto Kuwata는 “3차원 반도체에서 엑시톤 응축물을 직접 관찰하는 것은 1962년에 처음으로 이론적으로 제안된 이후 많은 관심을 받아왔습니다. 준입자가 실제 입자와 같은 방식으로 보스-아인슈타인 응축을 겪을 수 있는지 여부는 아무도 알지 못했습니다.”라고 말했습니다. 도쿄 대학의 물리학자이자 이 논문의 공동 저자인 고노카미(Gonokami)는 “그것은 일종의 저온 물리학의 성배입니다.”

연구자들은 아산화구리(Cu₂O) 구리와 산소의 화합물은 수명이 길기 때문에 벌크 반도체에서 여기자 BEC를 제조하기 위한 가장 유망한 후보 중 하나였습니다. 약 2K의 액체 헬륨 온도에서 파라엑시톤 BEC를 생성하려는 시도가 1990년대에 이루어졌지만 여기자로부터 BEC를 생성하기 위해서는 그보다 훨씬 낮은 온도가 필요하기 때문에 실패했습니다. Orthoexciton은 수명이 너무 짧기 때문에 낮은 온도에 도달할 수 없습니다. 그러나 Paraexciton은 BEC의 원하는 온도로 냉각하기에 충분히 긴 수백 나노초 이상의 매우 긴 수명을 갖는 것으로 실험적으로 잘 알려져 있습니다.

팀은 Cu의 대량에서 paraexciton을 가까스로 가두었습니다.₂O 희석 냉장고를 사용하여 400 밀리켈빈 미만, 헬륨의 두 동위 원소를 함께 혼합하여 냉각하는 극저온 장치로 양자 컴퓨터를 실현하려는 과학자들이 일반적으로 사용합니다. 그런 다음 적외선 범위의 중간에 있는 빛을 사용하는 현미경 유형인 중적외선 유도 흡수 이미징을 사용하여 실제 공간에서 엑시톤 BEC를 직접 시각화했습니다. 이를 통해 팀은 엑시톤의 밀도와 온도를 포함한 정밀 측정을 수행하여 엑시톤 BEC와 일반 원자 BEC 간의 차이점과 유사점을 표시할 수 있었습니다.

그룹의 다음 단계는 엑시톤 BEC가 벌크 반도체에서 어떻게 형성되는지에 대한 역학을 조사하고 엑시톤 BEC의 집합적 여기를 조사하는 것입니다. 그들의 궁극적인 목표는 엑시톤 BEC 시스템을 기반으로 하는 플랫폼을 구축하여 양자 특성을 더 자세히 설명하고 환경과 강하게 결합된 큐비트의 양자 역학에 대한 더 나은 이해를 개발하는 것입니다.

자금:

이 연구는 문부과학성의 지원을 받았습니다. Photon Frontier Network Program, MEXT의 Q-LEAP(Quantum Leap Flagship Program) 부여 번호 JPMXS0118067246에 의해; 그리고 FIRST 프로그램을 통해 JSPS에 의해.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221025120127.htm