| 来源：cnBeta | 2022-11-07 08:45:32 |
物理学家创造了第一个玻色-爱因斯坦凝结物--神秘的物质"第五态"--由准粒子构成。这些实体不算是基本粒子，尽管它们仍然可以具有基本粒子的属性，如电荷和自旋。几十年来，人们一直不知道准粒子是否能像真正的粒子那样进行玻色-爱因斯坦凝结，而现在看来，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。
一篇描述该物质产生过程的论文最近发表在《自然-通讯》杂志上，该论文是在温度略高于绝对零度的情况下实现的。
玻色-爱因斯坦凝聚物有时被描述为物质的第五种状态，与固体、液体、气体和等离子体并列。理论上在20世纪初就有预测，但玻色-爱因斯坦凝聚物，或称BECs，直到1995年才在实验室中被创造出来。它们也可能是最奇怪的物质状态，科学界对它们仍有大量的未知。
无低温稀释冰箱中的仪器特写图片。图片中央的暗红色立方体晶体是氧化亚铜。放在晶体后面的一个硒化锌半月板透镜是一个物镜。晶体下面的一根杆子和一个台子用于在晶体中产生不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。资料来源：Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami，东京大学。
当一组原子被冷却到绝对零度以上的十亿分之一时，就会出现BECs。研究人员通常使用激光和"磁铁陷阱"来稳定地降低气体的温度，这种气体通常由铷原子组成。在这个超冷的温度下，原子几乎不动，并开始表现出非常奇怪的行为。它们经历着相同的量子状态--几乎就像激光中的相干光子--并开始聚集在一起，作为一个无法区分的"超级原子"占据相同的体积。原子的集合在本质上表现为一个单一的粒子。
目前，BECs仍然是许多基础研究的主题，并用于模拟凝聚态系统，但原则上，它们在量子信息处理方面有应用。量子计算，仍然处于早期发展阶段，利用了许多不同的系统。但它们都依赖于处于同一量子状态的量子比特，或称量子比特。
大多数BEC是由普通原子的稀薄气体制造的。但直到现在，由奇异原子组成的BEC还从未实现过。
异类原子是指其中的一个亚原子粒子，如电子或质子，被另一个具有相同电荷的亚原子粒子所取代的原子。例如，正电子是一种由电子和其带正电的反粒子--正电子组成的异类原子。
氧化亚铜晶体(红色立方体)被放置在稀释冰箱中心的一个样品台上。研究人员在冰箱的防护罩上安装了窗户，允许在四个方向上对样品台进行光学访问。两个方向的窗口允许透射可见区的激发光(橙色实线)和副激子的发光(黄色实线)。另外两个方向的窗口允许透射探针光(蓝色实线)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口材料来精心设计窗口。窗口的这种专门设计和无低温稀释冰箱的高冷却能力有助于实现64毫开尔文的最低基础温度。资料来源：东京大学森田雄介、吉冈康介和桑田刚上。
一个"激子"是另一个这样的例子。当光照射到半导体时，能量足以"激发"电子，使其从原子的价层跃升到传导层。这些被激发的电子然后在电流中自由流动--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"洞"，可以被当作是一个带正电的粒子。负的电子和正的空洞被吸引，从而结合在一起。
结合起来以后，这个电子-空穴对是一个电中性的"准粒子"，称为激子。准粒子是一种类似于粒子的实体，它不属于粒子物理学标准模型中的17种基本粒子之一，但它仍然可以具有基本粒子的属性，如电荷和自旋。激子类粒子也可以被描述为一种外来的原子，因为它实际上是一个氢原子，它的单个正质子被单个正洞所取代。
激发子有两种类型：正激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋平行，以及副激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋反平行(平行但方向相反)。
电子-空穴系统已被用于创造其他物质阶段，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一个BEC。
研究人员使用设置在样品(红色立方体)下的透镜施加不均匀的应力。不均匀的应力导致不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。激发光束(橙色实线)集中在样品中陷阱电位的底部。一个激子(黄色球体)由一个电子(蓝色球体)和一个空穴(红色球体)组成。研究小组通过发光(黄色阴影)或探针光的差分传输(蓝色阴影)来检测激子。一个设置在样品后面的物镜收集了来自激子的发光。探针光束也通过物镜传播。资料来源：东京大学的Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami。
"自从1962年首次在理论上提出以来，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能像真正的粒子那样进行玻色-爱因斯坦凝聚，"东京大学的物理学家、该论文的共同作者Makoto Kuwata-Gonokami说。"这有点像低温物理学的圣杯"。
研究人员认为，在氧化亚铜(Cu2O)(一种铜和氧的化合物)中产生的类似氢的副外子是在大块半导体中制造激子BEC的最有希望的候选者之一，因为它们的寿命很长。20世纪90年代曾试图在2K左右的液氦温度下制造副激子BEC，但是失败了，因为为了从激子中制造BEC，需要远低于这个温度。正激子不能达到如此低的温度，因为它们的寿命太短。然而，从实验上看，副激子的寿命非常长，超过几百纳秒，足以将它们冷却到BEC的所需温度。
该研究小组利用稀释冰箱成功地在Cu2O主体中捕获了副激子，稀释冰箱是一种低温设备，通过将两种氦的同位素混合在一起进行冷却，这种设备通常被试图实现量子计算机的科学家所使用。然后，他们通过使用中红外诱导吸收成像技术直接观察了真实空间中的激子BEC，这是一种利用中红外范围内的光的显微镜技术。这使研究小组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。
该小组的下一步行动将是研究激子BEC在大块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，并对与环境强耦合的量子比特的量子力学有一个更好的理解。
责任编辑：techtoutiao
