Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) зафиксировали конденсат Бозе-Эйнштейна при температуре около двух кельвинов (-271°C). Полученная квантовая жидкость обладает внутренней структурой, которую можно переключать магнитным полем. Статья опубликована в журнале Nature.
Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой агрегатное состояние, в котором частицы теряют индивидуальность и ведут себя как единый квантовый объект. Традиционно такие состояния достигаются путем охлаждения атомарных газов в вакууме до сверхнизких температур. Создание конденсата из электрон-дырочных пар в твердотельных устройствах оставалось сложной физической задачей. Оптически генерируемые частицы существуют доли секунды, что затрудняет их переход в равновесное состояние.
Для проведения эксперимента инженеры сконструировали двумерное полупроводниковое устройство из атомарно тонких материалов. Верхний слой из диселенида молибдена содержал электроны, а нижний слой из диселенида вольфрама — электронные дырки. Слои были разделены прослойкой нитрида бора, которая позволяла частицам притягиваться и формировать стабильные пары. Система обеспечивала пребывание частиц в основном энергетическом состоянии.
Настройка квантовых свойств
Применив метод магнитооптической спектроскопии, исследователи проанализировали поведение системы при криогенных температурах. Установленные на устройстве электрические затворы позволили физикам регулировать плотность формирующихся электрон-дырочных пар. В результате частицы образовали стабильную квантовую жидкость, сохраняющую свойства при температуре около двух кельвинов. Этот показатель значительно превышает температуры, требуемые для газов в вакууме.
Специфика использованных полупроводников наделяет электроны и дырки дополнительными квантовыми характеристиками, связанными с их движением в кристалле. Эти степени свободы формируют различные варианты спиновых паттернов внутри конденсата. Наблюдения показали, что полученная квантовая жидкость имеет сложную структуру, состоящую из нескольких компонентов с разными свойствами. Ранее подобные внутренние порядки в твердотельных конденсатах напрямую не фиксировались.
Воздействие слабым магнитным полем позволило исследователям переключать фазы конденсата. Изменение внешних параметров приводило к перестройке спиновых паттернов без разрушения самой квантовой жидкости. Это доказывает возможность контролируемого управления макроскопической квантовой когерентностью в полупроводниках. Технология открывает пути для создания новых типов вычислительных компонентов.
В перспективе авторы планируют использовать разработанную платформу для моделирования сложных квантовых процессов. Настраиваемые жидкости могут стать основой для сверхтекучих квантовых цепей и когерентной оптоэлектроники. Интеграция таких устройств в телекоммуникационные системы позволит повысить скорость обработки сигналов. Инженеры продолжают поиск материалов для работы при более высоких температурах.
Ранее Наука Mail рассказывала, что NASA создает на МКС экзотические квантовое вещество.