澳大利亚研究合作首次从由光和物质组成的玻色-爱因斯坦凝聚体中探测到“幽灵粒子”。
澳大利亚国立大学/莫纳什大学合作研究:
- 在非平衡凝聚态中首次观察到“量子损耗”
- 发现“类光”凝析物的行为并不像我们预期的那样
- 首次观测到由量子损耗引起的“幽灵”激发。
量子损耗首次被观测到
超流体:在这种量子状态下，粒子流动时没有阻力。
玻色-爱因斯坦凝聚态:在超冷温度下发生的量子态。
玻色凝聚态量子流体不是永恒的。
这些状态包括超流体和玻色-爱因斯坦凝聚(BECs)。
在这种奇异的状态中有一种美丽的纯度，其中每个粒子都处于相同的量子状态，使量子效应在简单的显微镜上可见的宏观水平上可见。
但在现实中，并不是所有的粒子都停留在冷凝物中，即使是在绝对零度，经典的粒子也应该是静止的。相反，相互作用引起的量子涨落使粒子碰撞，不可避免地将一些粒子从凝聚态中驱逐出去，这种现象被称为“量子耗尽”。
这种效应在超流体氦-4中非常强烈，这是已知的第一种超流体，以至于90%的粒子都从冷凝物中被排出。然而，在极稀、超冷的原子气体中，形成我们所知道的典型的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)，这种影响要弱得多，几乎可以忽略不计。
第一作者，舰队研究员Maciej Pieczarka博士研究半导体微腔中产生的激子-极化流体的动态凝结和相变。
尽管量子损耗在理论上已经被很好地描述了(由Nikolay Bogoliubov提出的70年前的理论)，但历史上由于一些原因，它很难在原子BEC中测量。
澳大利亚国立大学(ANU)的物理学家没有使用原子粒子，而是使用激子-极化激子，一种具有光和物质特性的混合粒子，可以在没有任何扭曲的情况下探测动量。
由埃琳娜·奥斯特罗夫斯卡娅教授领导的澳大利亚国立大学研究小组，通过用剃刀边缘阻挡由极其明亮的冷凝物发出的光，成功地探测到了喷射出的粒子。该研究的主要作者Maciej Pieczarka博士说:“这就像重现日食。”“月亮挡住了明亮的太阳(凝结物)，暴露出它辉煌的日冕(激发物)。”
该研究首次直接观测到了非平衡玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)中的量子损耗。
“类光”凝析物的行为并不像我们预期的那样。事实上，这种行为没有任何解释
激子极化子:由光子(光)和激子(束缚电子-空穴对)组成的混合粒子
这项研究的一个惊人结果为非平衡态量子流体的物理学提出了新的挑战。激子-极化子凝聚可以从更像物质(激子)调整到更像光(光子)，允许与平衡原子(物质)凝聚理论和光的非平衡量子流体理论进行比较。
研究人员发现，当凝聚态是“类物质”时，它们的行为完全符合热平衡BEC的预期(由长期存在的Bogoliubov理论描述)。
然而，“类轻”的凝析物偏离了预期的波哥柳波夫行为，以一种没有被任何现有理论描述的方式
简而言之，即使这些凝聚体是驱动耗散的，它们也可以表现得像平衡态的原子凝聚体(当它们是类物质时)或非平衡态的量子流体(当它们是类光时)。
观察到负激发
左:高密度凝聚体强信号的动量-空间发光。右图:同样的数据是用剃刀边缘滤波器拍摄的，覆盖了来自凝结水的信号，揭示了凝结水的正常和虚激励。
该研究解决了激子-极化子凝聚体中一个长期存在的问题:激发分支的可见性问题。
量子损耗导致激发光谱中“幽灵”分支的可见性。在此之前，在自发形成的稳态BEC中只观察到正激发或正常激发，而Bogoliubov预测的负激发或幽灵激发在这种情况下未能观测到。
现在，澳大利亚国立大学的研究小组在稳态状态下使用了相互作用主导的高密度凝聚体，来增强鬼粒子发出的非常微弱的信号。这项研究证明了在自发产生的稳态激子-极化子凝聚体中首次清晰地观察到基本激发的幽灵分支。
与正常的粒子不同，幽灵粒子只能由量子涨落产生，本研究中对它们的探测是激子-极化子凝聚体量子耗尽的确凿证据。
合著者Eliezer Estrecho博士说:“具有讽刺意味的是，尽管这些被排出的粒子严格来说不是凝析液的一部分，但它们实际上告诉了你关于耗尽凝析液的几乎所有信息。”
澳大利亚国立大学领导的团队使用幽灵分支的观测来准确测量激子-极化激子相互作用的强度，这是一个关键参数，根据其他小组的测量结果，这个参数具有很大的不确定性。结果与ANU团队之前的工作完全一致(见下文)，其中高密度，相互作用主导的凝聚态偶然地与烧孔效应．与理论的高度一致最终解决了争议。
超流体和量子凝聚态
玻色子:可以占据相同量子态的基本粒子，因此玻色子凝聚体表现为单个量子粒子。
超流体，如氦-4，与相互作用玻色子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)密切相关。
“量子损耗”描述的过程是，即使在绝对零度，一些占据宏观量子态的粒子通过粒子间相互作用和量子涨落被激发到更高的动量态。
本质上，这些粒子被“驱逐”出凝聚态。
量子损耗在非平衡系统中尤其难以测量，例如激子-极化子凝聚(光子耦合到半导体中的电子-空穴对)，因为还有其他过程可以产生相同的驱逐效应
在这项新的研究中，通过直接探测占据初等激发负分支的鬼粒子的过程，观测到光学捕获的高密度激子-极化子凝聚体的量子损耗。
舰队研究员Eliezer Estrecho博士
“这一结果要求我们更深入地理解平衡态和非平衡态BECs之间的关系，”Elena Ostrovskaya教授说。
该团队，其中包括舰队的莫纳什大学节点的理论合作者，现在正在扩展他们的工作，以阐明更深层次的潜在性质，如相和普遍关系，这种凝聚态的光-物质混合物。
这项研究
”非平衡激子-极化子凝聚态中量子损耗的观察发表于自然的交流1月。
实验工作在澳大利亚国立大学的Polariton BEC研究小组进行(由FLEET CI教授Elena Ostrovskaya领导)，而理论研究则由莫纳什大学的量子物质理论小组进行(由FLEET CI A/ Meera Parish教授和FLEET AI博士Jesper Levinsen领导)。
基金由澳大利亚研究理事会(卓越中心计划)和作者也感谢亮Hanai(大阪大学)进行了有益的讨论。
之前的工作涉及相互作用强度的测量。
- 激子-极化子凝聚Thomas-Fermi体系中极化子-极化子相互作用强度的直接测量，《物理评论B》，2019
- 光诱导势对凝聚阈值以下俘获激子极化元能量的影响，《物理评论B》，2019
舰队的非平衡物理和超流体
澳大利亚国立大学Ostrovskaya教授的团队和莫纳什大学A/ Parish教授的团队寻求对非平衡量子系统的理解和控制。
非平衡物理，研究系统“被迫”从平衡状态进入临时状态，是一个相对较新的，令人兴奋的物理领域，也是材料工程和基础物理学的范式转变。
在舰队，非平衡机制控制的行为激子-极化凝聚体和超流体的研究人员在舰队的研究主题二(由Ostrovskaya教授领导)，其目标是实现电流的零电阻路径，这是该中心开发新一代超低能耗电子产品使命的一部分。
FLEET是澳大利亚研究委员会资助的研究中心，汇集了100多名澳大利亚和国际专家，开发新一代超低能耗电子产品。
更多的信息
- 联系Maciej Pieczarka博士Maciej.Pieczarka@anu.edu.au
- 联系Elena Ostrovskaya教授elena.ostrovskaya@anu.edu.au
- 访问澳大利亚国立大学的Polariton BEC研究组polaritonbec.org
- 访问FLEET.org.au
- 看计算能量使用的未来解决方案
- 连接@FLEETCentre
无机半导体中激子-极化子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的第一个快照