Condensado de Bose-Einstein creado utilizando cuasipartículas por primera vez
Físicos de la Universidad de Tokio han desarrollado el primer condensado de Bose-Einstein a partir de cuasipartículas, un avance histórico que podría hacer avanzar significativamente la computación cuántica.
El condensado de Bose-Einstein se conoce como el enigmático «quinto estado» de la materia, junto con sólidos, líquidos, gases y plasmas. Ahora, los expertos han creado el primer condensado de Bose-Einstein a partir de cuasipartículas, entidades que no son partículas elementales pero exhiben propiedades similares, como carga y espín.
Durante décadas, los científicos se preguntaron si las cuasipartículas podrían someterse a la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales, y sus hallazgos podrían tener ramificaciones importantes para el avance de las tecnologías cuánticas.
El trabajo de investigación, ‘Observación de condensados de Bose-Einstein de excitones en un semiconductor masivo. se publica en Naturaleza de la comunicación.
¿Qué es un condensado de Bose-Einstein?
El condensado de Bose-Einstein se predijo por primera vez a principios del siglo XX y no se creó en un laboratorio hasta 1995, y sigue siendo el estado de la materia más extraño y misterioso. Los condensados de Bose-Einstein se producen cuando un grupo de átomos se enfría a unas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Para lograrlo, los científicos utilizan tradicionalmente láseres y trampas magnéticas para reducir gradualmente la temperatura de un gas, generalmente compuesto por átomos de rubidio.
Los átomos apenas se mueven a esta temperatura y comienzan a mostrar un comportamiento inusual. Experimentan el mismo estado cuántico y comienzan a fusionarse, ocupando el mismo volumen que un «súper átomo» indistinguible que esencialmente se comporta como una sola partícula.
Los condensados de Bose-Einstein son objeto de muchas investigaciones fundamentales, incluso en la simulación de sistemas de materia condensada, y tienen una variedad de aplicaciones en el procesamiento de información cuántica. computación cuántica todavía está en su infancia y utiliza varios sistemas, todos los cuales dependen de bits cuánticos (qubits) en el mismo estado cuántico. Predominantemente, un condensado de Bose-Einstein se crea a partir de gases diluidos de átomos ordinarios, un condensado de Bose-Einstein hecho de átomos exóticos nunca se había hecho hasta ahora.
Comprender las cuasipartículas
Un átomo exótico es un átomo donde una partícula subatómica, como un electrón o un protón, es reemplazada por otra partícula subatómica con la misma carga. Por ejemplo, el positronio es un átomo exótico que consta de un electrón y su antipartícula cargada positivamente, un positrón.
Un excitón es otro ejemplo. Cuando la luz golpea un semiconductor, la energía es lo suficientemente fuerte como para excitar electrones, lo que hace que salten del nivel de valencia de un átomo a su nivel de conducción. Estos electrones excitados pueden fluir libremente en una corriente eléctrica, transformando la energía luminosa en energía eléctrica. Cuando los electrones cargados negativamente hacen este salto, el hueco que queda se puede tratar como si fuera una partícula cargada positivamente, con el electrón negativo y el hueco positivo atraídos y unidos.
Este par electrón-hueco es una cuasipartícula eléctricamente neutra llamada excitón. Las cuasipartículas no cuentan como una de las 17 partículas elementales en el modelo estándar de física de partículas, pero aún exhiben propiedades de partículas elementales como carga y espín. Hay dos formas de excitones: ortoexcitones, en los que el giro del electrón es paralelo al giro de su hueco, y paraexcitones, donde el giro es antiparalelo a 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 gotitas líquidas de excitones, lo que lleva a la investigación a determinar si podrían producir un condensado de Bose-Einstein a partir de excitones.
Makoto Kuwata-Gonokami, físico de la Universidad de Tokio y coautor del artículo, comentó: «La observación directa de un condensado de excitón en un semiconductor tridimensional ha sido muy solicitada desde su primera propuesta teórica en 1962. No se sabía si las cuasipartículas podían someterse a la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales. Es el santo grial de la física de baja temperatura.
Pionero de un condensado de excitón
El equipo creía que el candidato más prometedor para hacer condensados de excitón de Bose-Einstein en un semiconductor a granel eran los paraexcitones similares al hidrógeno creados en óxido cuproso (Cu2O), un compuesto de cobre y oxígeno, debido a su larga vida útil.
En la década de 1990, los investigadores intentaron crear un condensado de paraexcitón de Bose-Einstein a temperaturas de helio líquido de alrededor de 2 K, pero fracasaron debido a la necesidad de temperaturas mucho más frías. Los ortoexcitones no pueden alcanzar una temperatura tan baja porque tienen una vida útil demasiado corta, mientras que los paraexcitones tienen una vida extremadamente larga de varios cientos de nanosegundos, tiempo suficiente para enfriarlos a la temperatura deseada de un condensado de Bose Einstein.
Los físicos pudieron atrapar paraexcitones en la mayor parte de Cu2O por debajo de 400 milikelvins utilizando un refrigerador de dilución que se enfría combinando dos isótopos de helio. Luego visualizaron el condensado de excitón de Bose-Einstein en el espacio real utilizando imágenes de absorción inducida por infrarrojo medio. Esto permitió al equipo obtener medidas de precisión, como la densidad y la temperatura del excitón, lo que les permitió observar las diferencias y similitudes entre el excitón y los condensados atómicos regulares de Bose-Einstein.
Los investigadores ahora tienen como objetivo estudiar la dinámica de la formación del condensado de excitón de Bose-Einstein en el semiconductor a granel y sus excitaciones colectivas. Su objetivo principal es construir una plataforma basada en un sistema de estos condensados de excitón de Bose-Einstein para comprender mejor la mecánica cuántica de los cúbits.
