該裝置在無冷凍劑稀釋冰箱中的特寫照片。圖片中央的暗紅色立方晶體是氧化亞銅。放置在晶體后面的硒化鋅彎月透鏡是物鏡。晶體下方的棒和平臺用于在晶體中產生不均勻的應變場，作為激子的陷阱電位。圖片來源：東京大學 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
物理學家創造了第一個玻色-愛因斯坦凝聚體——物質的神秘第五態——由準粒子構成，這些實體不被視為基本粒子，但仍具有電荷和自旋等基本粒子特性。幾十年來，不知道它們是否可以像真實粒子一樣經歷玻色-愛因斯坦凝聚，現在看來它們可以。這一發現將對包括量子計算在內的量子技術的發展產生重大影響。
一篇描述這種物質產生過程的論文發表在《自然通訊》雜志上。
玻色-愛因斯坦凝聚有時被描述為物質的第五種狀態，與固體、液體、氣體和等離子體并列。從理論上預測，在 20 世紀初，玻色-愛因斯坦凝聚體 (BEC) 直到 1995 年才在實驗室中創造出來。它們也可能是最奇怪的物質狀態，其中很多關于它們的知識仍然未知。
當一組原子冷卻到絕對零以上十億分之一度以內時，就會發生 BEC。研究人員通常使用激光和磁阱來穩定地降低通常由銣原子組成的氣體的溫度。在這個超冷的溫度下，原子幾乎沒有移動并開始表現出非常奇怪的行為。
它們經歷相同的量子態——幾乎就像激光中的相干光子——并開始聚集在一起，占據與一個無法區分的超級原子相同的體積。原子的集合本質上表現為單個粒子。
目前，BEC 仍然是許多基礎研究的主題，用于模擬凝聚態系統，但原則上，它們在量子信息處理中具有應用。量子計算仍處于早期發展階段，它利用了許多不同的系統。但它們都依賴于處于相同量子態的量子比特或量子比特。
將氧化亞銅晶體(紅色立方體)放置在稀釋冰箱中心的樣品臺上。研究人員在冰箱的防護罩上安裝了窗戶，可以從四個方向對樣品臺進行光學訪問。兩個方向上的窗口允許激發光(橙色實線)和來自可見區域中副激子的發光(黃色實線)的透射。其他兩個方向上的窗口允許探測光(藍色實線)透射，用于誘導吸收成像。為了減少傳入的熱量，研究人員通過最小化數值孔徑和使用特定的窗戶材料精心設計了窗戶。這種專門的窗戶設計和無冷凍劑稀釋冰箱的高冷卻能力有助于實現 64 毫開爾文的最低基礎溫度。圖片來源：東京大學 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
大多數 BEC 是由普通原子的稀釋氣體制成的。但直到現在，從未實現過由奇異原子制成的 BEC。
外來原子是其中一個亞原子粒子(例如電子或質子)被另一個具有相同電荷的亞原子粒子取代的原子。例如，正電子是由電子及其帶正電的反粒子正電子組成的奇異原子。
激子是另一個這樣的例子。當光撞擊半導體時，能量足以激發電子從原子的價能級躍升至其傳導能級。然后這些激發的電子在電流中自由流動——本質上是將光能轉化為電能。當帶負電的電子進行這種跳躍時，留下的空間或空穴可以被視為帶正電的粒子。負電子和正空穴被吸引并因此結合在一起。
結合起來，這個電子-空穴對是一種稱為激子的電中性準粒子。準粒子是一種類似粒子的實體，它不屬于粒子物理學標準模型的 17 個基本粒子之一，但它仍然可以具有電荷和自旋等基本粒子特性。激子準粒子也可以被描述為奇異原子，因為它實際上是一個氫原子，其單個正質子已被單個正空穴取代。
激子有兩種形式：正激子，其中電子的自旋與其空穴的自旋平行，以及副激子，其中電子自旋與其空穴的自旋反平行(平行但方向相反)。
電子空穴系統已被用于產生其他相的物質，例如電子空穴等離子體甚至激子液滴。研究人員想看看他們是否可以用激子制造 BEC。
研究人員使用樣品下方的透鏡組(紅色立方體)施加了不均勻的應力。不均勻的應力導致不均勻的應變場，作為激子的陷阱勢。激發光束(橙色實線)聚焦在樣品中陷阱電位的底部。一個激子(黃色球體)由一個電子(藍色球體)和一個空穴(紅色球體)組成。該團隊通過發光(黃色陰影)或探測光的差分傳輸(藍色陰影)檢測到激子。設置在樣品后面的物鏡收集來自激子的發光。探測光束也通過物鏡傳播。圖片來源：東京大學 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
“自 1962 年首次在理論上提出以來，對三維半導體中激子凝聚體的直接觀察一直備受追捧。沒有人知道準粒子是否可以像真實粒子一樣經歷玻色-愛因斯坦凝聚，”桑田誠說。 Gonokami 是東京大學的物理學家，也是該論文的合著者。“這是低溫物理學的圣杯。”
研究人員認為，在氧化亞銅 (Cu 2 O)(一種銅和氧的化合物)中產生的類氫副激子是在塊狀半導體中制造激子 BEC 的最有希望的候選者之一，因為它們的壽命很長。在 1990 年代曾嘗試在 2 K 左右的液氦溫度下產生副激子 BEC，但失敗了，因為為了從激子中產生 BEC，需要的溫度遠低于此溫度。
正激子無法達到如此低的溫度，因為它們的壽命太短。然而，實驗上眾所周知，副激子具有超過數百納秒的極長壽命，足以將它們冷卻到所需的 BEC 溫度。
該團隊設法使用稀釋制冷機在 400 毫開爾文以下的大量 Cu 2 O 中捕獲副激子，這是一種通過將氦的兩種同位素混合在一起來冷卻的低溫裝置，科學家們通常使用這種裝置來實現量子計算機。
然后，他們通過使用中紅外誘導吸收成像(一種利用紅外范圍中間光的顯微鏡)直接在真實空間中可視化激子 BEC。這使團隊能夠進行精確測量，包括激子的密度和溫度，從而使他們能夠標出激子 BEC 和常規原子 BEC 之間的差異和相似之處。
該小組的下一步將是研究激子 BEC 如何在體半導體中形成的動力學，并研究激子 BEC 的集體激發。他們的最終目標是建立一個基于激子 BEC 系統的平臺，以進一步闡明其量子特性，并更好地理解與其環境強耦合的量子比特的量子力學。
