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(Noticias de Nanowerk) Los científicos han creado un condensado Bose-Einstein de excitones, cuasipartículas que conectan electrones y «agujeros» cargados positivamente, en un semiconductor. Los condensados de cuasipartículas de Bose-Einstein han sido una especie de santo grial de la física de baja temperatura durante las últimas seis décadas.
Los físicos han creado el primer condensado de Bose-Einstein, el misterioso «quinto estado» de la materia, a partir de cuasipartículas, entidades que no se consideran partículas elementales pero que aún pueden tener propiedades de partículas elementales como carga y espín. Durante décadas no se supo si podían someterse a la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales, y ahora parece que sí. El descubrimiento tendrá un impacto significativo en el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluida la computación cuántica.
Se publicó un artículo en la revista que describe el proceso de formación de la sustancia, que ocurre a temperaturas a un cabello del cero absoluto. comunicación de la naturaleza («Observación de condensados de Bose-Einstein de excitones en un semiconductor a granel»).
![Configuración para imágenes de absorción y apariencia de condensado](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61705_1.jpg)
Los condensados de Bose-Einstein a veces se denominan el quinto estado de la materia, junto con los sólidos, líquidos, gases y plasmas. Predichos teóricamente a principios del siglo XX, los condensados de Bose-Einstein, o BEC, no se fabricaron en un laboratorio hasta 1995. También son quizás el estado más extraño de la materia, y mucho sobre ellos sigue siendo desconocido para la ciencia.
Los BEC se forman cuando un grupo de átomos se enfría a mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Los investigadores suelen utilizar láseres y «trampas magnéticas» para reducir constantemente la temperatura de un gas, normalmente compuesto de átomos de rubidio. A esta temperatura ultrafría, los átomos apenas se mueven y se comportan de manera muy extraña. Experimentan el mismo estado cuántico, casi como fotones coherentes en un láser, y comienzan a agruparse, ocupando el mismo volumen que un «superátomo» indistinguible. La colección de átomos se comporta esencialmente como una sola partícula.
Actualmente, los BEC siguen siendo objeto de mucha investigación básica y para la simulación de sistemas de materia condensada, pero en principio tienen aplicaciones en el procesamiento de información cuántica. La computación cuántica, que aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, utiliza varios sistemas diferentes. Pero todos dependen de que los bits cuánticos o los qubits estén en el mismo estado cuántico.
La mayoría de los BEC están hechos de gases enrarecidos de átomos ordinarios. Pero hasta ahora nunca se ha logrado un BEC a partir de átomos exóticos.
Los átomos exóticos son átomos en los que una partícula subatómica, p. B. un electrón o un protón, es reemplazado por otra partícula subatómica con la misma carga. Por ejemplo, el positronio es un átomo exótico compuesto por un electrón y su antipartícula cargada positivamente, un positrón.
Un «excitón» es otro ejemplo. Cuando la luz golpea un semiconductor, la energía es suficiente para «excitar» los electrones para que salten del plano de valencia de un átomo a su plano de conducción. Estos electrones excitados luego fluyen libremente en una corriente eléctrica, esencialmente convirtiendo la energía de la luz en energía eléctrica. Cuando el electrón cargado negativamente da este salto, el espacio restante o «agujero» puede tratarse como si fuera una partícula cargada positivamente. El electrón negativo y el hueco positivo se atraen y, por lo tanto, se unen entre sí.
En conjunto, este par electrón-hueco es una «cuasippartícula» eléctricamente neutra llamada excitón. Una cuasipartícula es una estructura similar a una partícula que no pertenece a las 17 partículas elementales del modelo estándar de física de partículas, pero aún puede tener propiedades de partículas elementales como carga y espín. La cuasipartícula de excitón también se puede llamar un átomo exótico porque en realidad es un átomo de hidrógeno al que se le ha reemplazado su único protón positivo con un solo agujero positivo.
Hay dos tipos de excitones: ortoexcitones, en los que el espín del electrón es paralelo al espín de su hueco, y paraexcitones, en los que el espín del electrón es antiparalelo (paralelo pero en dirección opuesta) al de su hueco.
Los sistemas de huecos de electrones se han utilizado para crear otras fases de la materia, como plasma de huecos de electrones e incluso gotas de líquido de excitón. Los investigadores querían ver si podían hacer un BEC a partir de excitones.
“La observación directa de un condensado de excitón en un semiconductor tridimensional ha tenido una gran demanda desde que se propuso teóricamente por primera vez en 1962. Nadie sabía si las cuasipartículas podían someterse a la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales», dijo Makoto Kuwata-Gonokami, físico de la Universidad de Tokio y coautor del artículo. «Es como el santo grial de la física criogénica».
Los investigadores creían que los paraexcitones similares al hidrógeno generados en óxido de cobre (Cu2O), un compuesto de cobre y oxígeno, son uno de los candidatos más prometedores para fabricar BEC de excitón en un semiconductor a granel debido a su larga vida útil. En la década de 1990 se realizaron intentos para generar BEC de paraexcitón a temperaturas de helio líquido de alrededor de 2 K, pero fracasaron porque se requieren temperaturas mucho más bajas para generar un BEC a partir de excitón. Los ortoexcitones no pueden alcanzar una temperatura tan baja porque tienen una vida muy corta. Sin embargo, se sabe experimentalmente que los paraexcitones tienen vidas extremadamente largas de más de varios cientos de nanosegundos, tiempo suficiente para enfriarlos a la temperatura deseada de un BEC.
El equipo logró capturar paraexcitones en la mayor parte de Cu2O por debajo de 400 milikelvins usando un refrigerador de dilución, un dispositivo criogénico que se enfría mezclando dos isótopos de helio y que a menudo usan los científicos que intentan realizar la computación cuántica. Luego visualizaron el excitón BEC directamente en el espacio real utilizando imágenes de absorción inducida por infrarrojo medio, un tipo de microscopía que utiliza luz infrarroja media. Esto permitió al equipo realizar mediciones de precisión, incluidas la densidad y la temperatura del excitón, lo que a su vez les permitió resaltar las diferencias y similitudes entre el BEC de excitón y el BEC atómico regular.
El próximo paso del grupo será estudiar la dinámica de cómo se forma el excitón BEC en el semiconductor a granel y estudiar las excitaciones colectivas de los excitón BEC. Su objetivo final es construir una plataforma basada en un sistema de BEC de excitón para dilucidar aún más sus propiedades cuánticas y desarrollar una mejor comprensión de la mecánica cuántica de los qubits que están fuertemente acoplados a su entorno.
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