Primeiro condensado de Bose-Einstein de quasipartículas – Strong The One

Um artigo descrevendo o processo de criação da substância, alcançado em temperaturas a um fio de cabelo do zero absoluto, foi publicado na revista Comunicações da Natureza.

Os condensados ​​de Bose-Einstein às vezes são descritos como o quinto estado da matéria, ao lado de sólidos, líquidos, gases e plasmas. Teoricamente previstos no início do século 20, os condensados ​​de Bose-Einstein, ou BECs, só foram criados em laboratório em 1995. Eles também são talvez o estado mais estranho da matéria, com muito sobre eles permanecendo desconhecidos para a ciência.

BECs ocorrem quando um grupo de átomos é resfriado a bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Os pesquisadores geralmente usam lasers e “armadilhas magnéticas” para reduzir constantemente a temperatura de um gás, normalmente composto por átomos de rubídio. Nessa temperatura ultrafria, os átomos mal se movem e começam a exibir um comportamento muito estranho. Eles experimentam o mesmo estado quântico – quase como fótons coerentes em um laser – e começam a se agrupar, ocupando o mesmo volume de um “superátomo” indistinguível. A coleção de átomos se comporta essencialmente como uma única partícula.

Atualmente, os BECs continuam sendo objeto de muitas pesquisas básicas e para simular sistemas de matéria condensada, mas, em princípio, têm aplicações no processamento de informações quânticas. A computação quântica, ainda em estágios iniciais de desenvolvimento, faz uso de vários sistemas diferentes. Mas todos eles dependem de bits quânticos, ou qubits, que estão no mesmo estado quântico.

A maioria dos BECs são fabricados a partir de gases diluídos de átomos comuns. Mas até agora, um BEC feito de átomos exóticos nunca foi alcançado.

Átomos exóticos são átomos nos quais uma partícula subatômica, como um elétron ou um próton, é substituída por outra partícula subatômica com a mesma carga. O positrônio, por exemplo, é um átomo exótico feito de um elétron e sua antipartícula carregada positivamente, um pósitron.

Um “exciton” é outro exemplo. Quando a luz atinge um semicondutor, a energia é suficiente para “excitar” os elétrons a saltar do nível de valência de um átomo para o nível de condução. Esses elétrons excitados então fluem livremente em uma corrente elétrica – em essência, transformando a energia da luz em energia elétrica. Quando o elétron carregado negativamente realiza esse salto, o espaço deixado para trás, ou “buraco”, pode ser tratado como se fosse uma partícula carregada positivamente. O elétron negativo e o buraco positivo são atraídos e, portanto, ligados.

Combinado, esse par elétron-buraco é uma “quasipartícula” eletricamente neutra chamada éxciton. Uma quasipartícula é uma entidade semelhante a partículas que não conta como uma das 17 partículas elementares do modelo padrão da física de partículas, mas que ainda pode ter propriedades de partículas elementares como carga e rotação. A quasipartícula do éxciton também pode ser descrita como um átomo exótico porque é na verdade um átomo de hidrogênio que teve seu único próton positivo substituído por um único buraco positivo.

Os excitons vêm em dois sabores: ortoexcitons, no qual o spin do elétron é paralelo ao spin do seu buraco, e paraexcitons, no qual o spin do elétron é antiparalelo (paralelo, mas na direção oposta) ao do seu buraco.

Sistemas elétron-buracos têm sido usados ​​para criar outras fases da matéria, como plasma elétron-buraco e até mesmo gotículas líquidas de exciton. Os pesquisadores queriam ver se poderiam fazer um BEC de excitons.

“A observação direta de um condensado de éxciton em um semicondutor tridimensional tem sido muito procurada desde que foi proposta teoricamente em 1962. Ninguém sabia se as quasipartículas poderiam sofrer condensação de Bose-Einstein da mesma forma que as partículas reais”, disse Makoto Kuwata- Gonokami, físico da Universidade de Tóquio e coautor do artigo. “É uma espécie de santo graal da física de baixa temperatura.”

Os pesquisadores pensaram que paraexcitons semelhantes ao hidrogênio criados em óxido cuproso (Cu₂O), um composto de cobre e oxigênio, foi um dos candidatos mais promissores para a fabricação de BECs de éxciton em um semicondutor a granel devido à sua longa vida útil. Tentativas de criar paraexciton BEC em temperaturas de hélio líquido de cerca de 2 K foram feitas na década de 1990, mas falharam porque, para criar um BEC de excitons, temperaturas muito mais baixas do que são necessárias. Ortoexcitons não podem atingir uma temperatura tão baixa, pois são muito curtas. Paraexcitons, no entanto, são experimentalmente bem conhecidos por terem um tempo de vida extremamente longo de várias centenas de nanossegundos, suficientemente longo para resfriá-los até a temperatura desejada de um BEC.

A equipe conseguiu prender paraexcitons na maior parte do Cu₂O abaixo de 400 milikelvins usando um refrigerador de diluição, um dispositivo criogênico que resfria misturando dois isótopos de hélio e que é comumente usado por cientistas que tentam realizar computadores quânticos. Eles então visualizaram diretamente o exciton BEC no espaço real pelo uso de imagens de absorção induzida no infravermelho médio, um tipo de microscopia que utiliza luz no meio da faixa do infravermelho. Isso permitiu que a equipe fizesse medições precisas, incluindo a densidade e a temperatura dos excitons, que por sua vez permitiram que eles marcassem as diferenças e semelhanças entre o exciton BEC e o BEC atômico regular.

O próximo passo do grupo será investigar a dinâmica de como o exciton BEC se forma no semicondutor de massa e investigar as excitações coletivas de exciton BECs. Seu objetivo final é construir uma plataforma baseada em um sistema de exciton BECs, para maior elucidação de suas propriedades quânticas e desenvolver uma melhor compreensão da mecânica quântica de qubits fortemente acoplados ao seu ambiente.

Financiamento:

Esta pesquisa foi apoiada por MEXT, JSPS KAKENHI (concessão nº JP20104002, JP26247049, JP25707024, JP15H06131, JP17H06205); pelo Photon Frontier Network Program, Quantum Leap Flagship Program (Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246 do MEXT; e pelo JSPS através do seu FIRST Program.