В Калифорнийском университете реализована бозе-эйнштейновская конденсация экситонов.

Образование конденсата Бозе — Эйнштейна (БЭК) обычно связывают с квантовой когерентностью волн де Бройля на макроскопических масштабах. Как известно, любые частицы вещества могут проявлять свойства волн, которые имеют фундаментальное свойство — способность интерферировать. Чтобы не получить в результате интерференции равномерный шум, нужно обеспечить когерентность (согласованность, упорядоченность во времени или пространстве) таких волн, называемых волнами де Бройля.

Этому препятствует тепловое движение, поскольку частицы с разными скоростями имеют разные длины волн.

При охлаждении длина волны де Бройля увеличивается. Когда её значение превысит расстояние между частицами, появляется возможность получить устойчивую интерференционную картину, так как максимумы волн, отвечающие положению частиц, перекрываются.

При этом когерентные волны многих частиц могут занять одну область в пространстве, образуя некую квантовую общность — БЭК.

Чаще всего БЭК исследуют на примере атомов. Впрочем, другие бозоны (частицы с целым значением спина) также способны конденсироваться, что было продемонстрировано в недавних экспериментах с фотонами и молекулами.

Рис. 1. Прямые (слева) и непрямые экситоны в системе двух квантовых ям. Образование непрямого экситона становится энергетически более выгодным при перекосе зон электрическим полем. (Иллюстрация авторов работы).

Задача создания экситонного БЭК осложняется тем, что квазичастицы имеют совсем небольшое время жизни, которое не позволяет достичь нужной степени охлаждения. Поэтому учёные работали с так называемыми непрямыми экситонами — более долгоживущими связанными состояниями электронов и дырок, находящихся в разных квантовых ямах (потенциальных ямах, ограничивающих подвижность частиц двумя измерениями). Для экспериментов были сформированы 8-нанометровые ямы, разделённые 4-нанометровым барьером из Al0,33Ga0,67As.

Пространственное разделение электрона и дырки в непрямом экситоне также сообщает ему «врождённый» дипольный момент. Это позволяет управлять энергией квазичастицы с помощью электрического поля и конструировать электростатические ловушки для экситонов, чем и воспользовались американские физики.

Захватывая фотовозбуждённые (созданные лазерным излучением по опробованной ранее методике) непрямые экситоны в ловушку, которая включалась при подаче напряжения на электроды специальной формы, учёные снижали температуру и отслеживали признаки конденсации. Когда температура опускалась до 1 К, в опытах проявлялась искомая макроскопическая квантовая когерентность, свидетельствующая о формировании БЭК.

Рис. 2. Образование бозе-эйнштейновского конденсата при снижении температуры (иллюстрация авторов работы).

Отчёт о наблюдении экситонного БЭК опубликован в журнале Nano Letters.