Kuantum sıvısı, manyetik alanla değiştirilebilen gizli durumları açığa çıkarıyor

Bose-Einstein yoğunlaşmaları (BEC’ler) genellikle “maddenin beşinci durumu” olarak tanımlanır: birçok parçacığın bireysel kimliklerini kaybettiği ve tek bir kolektif nesne gibi davrandığı bir kuantum durumu. 60 yılı aşkın bir süredir araştırmacılar, kuantum teknolojileri için yararlı olan, makroskobik kuantum tutarlılığına giden katı hal yolu olarak eksitonlardan (elektron-delik çiftleri) bu tür yoğunlaşmalar yaratmaya çalışıyorlar. Bunun kontrol edilebilir yarı iletken cihazlarda gerçekleştirilmesi zor olmuştur çünkü optik olarak üretilen eksitonların ömrü saniyenin milyarda biri civarında çok kısadır ve BEC’ler normalde vakumdaki ultra soğuk gazlarla elde edilir.

Ancak şimdi, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) liderliğindeki bir ekip, atomik olarak ince bir yarı iletkende yüksek sıcaklıkta ayarlanabilir bir BEC eksitonu gözlemledi. Bulgular, şu adreste yayınlandı: Doğayalnızca eksitonların bir BEC oluşturduğunu değil, aynı zamanda kondensin bir manyetik alan tarafından değiştirilebilen bir iç yapıya sahip olduğunu da ortaya koyuyor.

Çalışma, katı malzemelerdeki kuantum sıvılarını incelemek için yeni bir platform sağlıyor. (Kuantum akışkanı, maddenin, elektron gazlarının veya diğer parçacıkların kolektif olarak akışkan gibi davrandığı egzotik bir halidir.) Aynı zamanda gelecekteki kuantum simülasyonları, yeni nesil telekomünikasyon ve bilgi işlemdeki tutarlı optoelektronik ve daha hızlı, daha verimli hesaplamayı mümkün kılan eksiton tabanlı cihazlar için de etkileri vardır.

Kararlı bir eksiton sıvısı oluşturmak

Baş araştırmacı Feng Wang, “Önceki çalışmalar elektronların ve deliklerin eksitonlara bağlanabileceğini göstermiş olsa da, bu eksitonların bir yoğunlaşma oluşturup oluşturmadığını belirlemenin kolay bir yolu yoktu ve yoğunlaşmanın ne tür bir iç kuantum düzenine sahip olduğunu tespit edemediler. Çalışmamız bu gizli yapıya doğrudan erişmenin bir yolunu sunuyor” dedi. Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimleri Bölümü’nde öğretim üyesi kıdemli bilim insanıdır ve UC Berkeley Fizik Bölümü’nde profesördür.

Birçok deneyde eksitonlar ışık tarafından yaratılır ve yalnızca kısa ömürlü uyarılmış durumlar halinde bulunur. Yeni çalışmada Wang ve ekibi, uyarılmış bir durumdan ziyade temel durumdaki eksitonlara sahip bir 2D yarı iletken cihaz tasarlayarak bu geçiciliğe karşı çıktı. Araştırmacılar böyle bir sistemin eksitonların dengeye ulaşmasını ve BEC olarak varlığını sürdürmesini sağlayacağını öngördü.

Kriyojenik koşullar altında manyeto-optik spektroskopi adı verilen bir teknik kullanan araştırmacılar, cihazı mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa kadar soğuttular ve elektron ve delik bileşenlerinin küçük manyetik alanlara nasıl tepki verdiğini ölçtüler. Cihazın üstündeki ve altındaki elektrikli kapılar, araştırmacıların bu eksitonların yoğunluğunu ayarlamasına olanak tanıyor.

Eksitonlar toplu olarak tahmin edildiği gibi performans gösterdi, ancak araştırmacılar yoğunlaşma izlerinin yaklaşık 2 kelvin’e (-456°F) kadar devam ettiğini keşfettiklerinde şaşırdılar; bu hala çok soğuk ama ultra soğuk atom gazlarında önceki BEC gösterilerinden milyonlarca kat daha sıcaktı.

Makalenin ortak yazarlarından ve Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimleri Bölümü’nde eski bir doktora araştırmacısı olan Ruishi Qi, “Burada olağandışı olan şey, eksitonların yalnızca ışık tarafından oluşturulan kısa ömürlü parçacıklar olmamasıdır. Bunlar, elektriksel ve manyetik olarak ayarlayabileceğimiz bir cihazda denge kuantum sıvısı oluştururlar” diye açıkladı.

Değiştirilebilir tatlara sahip bir yoğunlaşma

Atomik olarak ince yarı iletkenlerde, elektronlar ve delikler yalnızca yük ve spini değil aynı zamanda kristal malzeme içindeki hareketlerine (veya serbestlik derecelerine) bağlı olan “vadi” olarak bilinen bir kuantum özelliğini de taşırlar. Bu dönüş vadisi serbestlik dereceleri, eksitonlara birden fazla olası “tat” veya yukarı-yukarı, aşağı-aşağı, yukarı-aşağı veya aşağı-yukarı gibi dönüş modelleri verir. Mevcut çalışmada Berkeley Laboratuvarı liderliğindeki ekip, BEC’nin basit bir tek-tatlı kuantum durumu olmadığını buldu: Her biri farklı iç dönüş vadisi yapısına sahip iki bileşene sahip. Bu, bir manyetik alan tarafından değiştirilebilen birden fazla farklı yoğuşma fazına yol açar.

Qi, “Heyecan verici kısım, bunun sadece basit bir yoğunlaşma olmamasıdır” dedi. “Kontrol edebileceğimiz iç yapılara sahip. Basitçe küçük bir manyetik alan uygulayarak, aynı eksiton sıvısını farklı kuantum durumları arasında değiştirebiliriz.”

Gelecekteki çalışmalarda araştırmacılar, süperakışkan tabanlı kuantum cihazlarını ve BEC eksitonu üzerine inşa edilen devreleri göstermeyi umuyorlar.