Spøgelsesagtige partikler detekteret i kondensater af lys og stof

Bose-kondenserede kvantevæsker er ikke evigt. Sådanne tilstande omfatter supervæsker og Bose-Einstein-kondensater (BEC'er).

Der er en smuk renhed i sådanne eksotiske tilstande, hvor hver partikel er i samme kvantetilstand, gør det muligt at se kvanteeffekter på et makroskopisk niveau synligt på et simpelt mikroskop.

I virkeligheden dog ikke alle partikler forbliver i kondensatet selv ved det absolutte nulpunkt, hvor klassisk, partikler forventes at stå stille. I stedet, interaktionsinducerede kvanteudsving får partiklerne til at kollidere, uundgåeligt at drive nogle partikler ud af kondensatet, et fænomen kaldet "kvanteudtømning".

Denne effekt er utrolig stærk i superfluid helium-4, den første kendte supervæske, sådan at 90 % af partiklerne udstødes af kondensatet. Imidlertid, i ekstremt fortyndet, ultrakolde atomare gasser, som danner de typiske Bose-Einstein-kondensater (BEC), vi kender, effekten er meget svagere, næsten ubetydelig.

Selvom kvanteudtømning er blevet godt beskrevet teoretisk (af den 70 år gamle teori udviklet af Nikolay Bogoliubov), det har historisk set været svært at måle i et atomært BEC af en række årsager.

I stedet for atompartikler, fysikere ved Australian National University (ANU) bruger exciton-polaritoner, hybridpartikler med både let- og stofkarakter, som tillader detektering af momentum uden nogen forvrængning.

ANU-teamet, ledet af professor Elena Ostrovskaya, med succes opdaget de udstødte partikler ved at blokere lyset, ved hjælp af en barberkniv, udsendes af det utroligt lyse kondensat. "Det er som at genskabe en solformørkelse, " siger undersøgelsens hovedforfatter Dr. Maciej Pieczarka. "Månen blokerer for den lyse sol (kondensatet) og blotlægger sin herlige korona (excitationerne)."

Undersøgelsen repræsenterer den første direkte observation af kvanteudtømning i et ikke-ligevægts Bose-Einstein-kondensat (BEC).

"Lyslignende" kondensater opfører sig ikke, som vi ville forvente. Faktisk, der er ingen forklaring på denne adfærd

Et overraskende resultat af undersøgelsen byder på en ny udfordring for fysikken i ikke-ligevægtskvantevæsker. Exciton-polariton-kondensater kan indstilles fra mere stoflignende (excitonisk) til mere lyslignende (fotonisk), giver mulighed for sammenligning med teorier om ligevægts atomart (stof) kondensat og om ikke-ligevægts kvantevæsker af lys.

Forskerne fandt ud af, at når kondensat var "stoflignende, " de opførte sig præcis som forventet for en BEC i termisk ligevægt (beskrevet af den mangeårige Bogoliubov-teori).

Imidlertid, kondensater, der var "lyslignende", afveg fra forventet Bogoliubov-adfærd, på en måde, der ikke er beskrevet af nogen eksisterende teorier

Kort sagt, selvom disse kondensater er drevet-dissipative, de kan opføre sig som atomare kondensater i ligevægt (når de er stoflignende) eller en ikke-ligevægts kvantevæske (når de er lyslignende).

Negativ excitation observeret

Forskningen løser et langvarigt problem i exciton-polariton-kondensater:problemet med synligheden af ​​excitationsgrene.

Kvanteudtømning fører til synlighed af spøgelsesgrene i spektret af excitationer. Tidligere, kun de positive eller normale excitationer var nogensinde blevet observeret i en spontant skabt, steady-state BEC, mens de negative eller spøgelseseksitationer forudsagt af Bogoliubov undgik observationer i dette regime.

Nu, ANU-teamet brugte de interaktionsdominerede højdensitetskondensater, i steady state-regimet, til øger det meget svage signal fra spøgelsespartiklerne. Denne undersøgelse demonstrerer den første klare eksperimentelle observation af denne spøgelsesgren af ​​elementære excitationer i en spontant skabt, steady-state exciton-polariton kondensat.

I modsætning til sin normale pendant, spøgelsespartiklerne kan kun skabes af kvanteudsving, og deres påvisning i denne undersøgelse er den rygende pistol af kvanteudtømningen af ​​exciton-polariton-kondensater.

"Det ironiske ved disse udstødte partikler er, at selvom de strengt taget ikke er en del af kondensatet, de fortæller dig faktisk næsten alt om det udtømte kondensat, " siger medforfatter Dr. Eliezer Estrecho.

Det ANU-ledede hold brugte observationen af ​​spøgelsesgrenen til nøjagtigt at måle styrken af ​​interaktioner mellem exciton-polaritoner, en nøgleparameter, der havde en kontroversielt stor usikkerhed baseret på andre gruppers målinger. Resultatet er i fuld overensstemmelse med tidligere arbejde fra ANU-teamet (se nedenfor), hvor den høje tæthed, interaktionsdomineret kondensat blev serendipitalt kombineret med den hulbrændende effekt. Fremragende overensstemmelse med teorien har endelig afgjort striden.

Supervæsker og kvantekondensater

Supervæsker, såsom Helium-4, er tæt beslægtet med Bose-Einstein-kondensater (BEC) af interagerende bosoner.

"Kvanteudtømning" beskriver den proces, hvorved, selv ved Absolut nul, nogle af de partikler, der optager den makroskopiske kvantetilstand, bliver exciteret til højere momentumtilstande via interpartikelinteraktioner og kvanteudsving.

I det væsentlige, sådanne partikler uddrives af kondensatet.

Kvanteudtømning er særlig vanskelig at måle i ikke-ligevægtssystemer såsom exciton-polariton-kondensater (fotoner koblet til elektron-hul-par i en halvleder), da der er andre processer, der kan producere den samme udstødende effekt

I den nye undersøgelse, kvanteudtømning af et optisk fanget højdensitet exciton-polariton kondensat observeres ved direkte at detektere processens afslørende signatur af spøgelsespartiklerne, der optager den negative gren af ​​elementære excitationer.

"Resultaterne kræver en dybere forståelse af forholdet mellem ligevægt og ikke-ligevægt BEC'er, " siger professor Elena Ostrovskaya.

Holdet, som omfatter teorisamarbejdspartnere inden for Monash University-knudepunktet i FLEET, udvider nu deres arbejde for at belyse dybere underliggende egenskaber, ligesom faserne og universelle relationer, af denne let-stof hybrid af et kondensat.

"Observation af kvanteudtømning i et ikke-ligevægt exciton-polariton-kondensat" blev offentliggjort i Naturkommunikation i januar.