Een ANU-voorschot biedt een nooit eerder bereikte 'snapshot' van Bose-Einstein-condensatie.

Eerder, waarnemingen van exciton-polaritonen in een Bose-Einstein-condensaat waren beperkt tot statistische gemiddelden over miljoenen condensatiegebeurtenissen.

'Snapshot'-beeldvorming van polaritonen die een condensaat vormen in een typische anorganische halfgeleider werd als onmogelijk beschouwd.

Nutsvoorzieningen, FLEET-onderzoekers van de Australian National University hebben voor het eerst een internationale studie geleid die exciton-polaritons in beeld brengt als een 'single shot', in plaats van gemiddeld.

"Dit biedt een unieke kans om de details van Bose-Einstein-condensatie van exciton-polaritonen te begrijpen, " legt hoofdauteur Eliezer Estrecho uit.

Dergelijke fundamentele vooruitgang helpt ook FLEET's onderzoek naar excitonische condensatie en superfluïditeit als een mechanisme voor elektronische geleiding zonder verspilde energiedissipatie.

Exciton-polaritonen zijn hybride deeltjes die deels materie en deels licht zijn, aan elkaar gebonden door sterke koppeling van fotonen en elektron-gatparen (excitonen) in halfgeleidermicroholtes, waar ze een Bose-Einstein-condensaat kunnen vormen.

Een Bose-Einstein-condensaat (BEC) is een kwantumtoestand van materie waarin alle deeltjes dezelfde energie en golflengte hebben, wat betekent dat kwantumeffecten op macroscopische schaal kunnen worden gezien. Een BEC kan een superfluïde vormen, d.w.z. stromen zonder weerstand.

Omdat de levensduur van exciton-polariton echter wordt gemeten in picoseconden (biljoensten van een seconde), waarnemingen van BEC's omvatten voorheen altijd een gemiddelde van meer dan miljoen levens van exciton-polaritonen.

Dit is hetzelfde als het maken van een lange belichtingstijd van bewegende objecten:je krijgt een wazig beeld.

Het ANU-team zorgde ervoor dat hun gevoelige camera slechts één levensduur of 'single-shot' van het condensaat vastlegde, waardoor ze nooit eerder vertoond gedrag van exciton-polaritonen kunnen observeren.

De studie

De single-shot beeldvorming wordt uitgevoerd door het analyseren van coherente holtefotoluminescentie als gevolg van het verval van exciton-polaritonen. "Voor nu, " zegt Associate Prof. Elena Ostrovskaya, "Dit werd onmogelijk geacht in anorganische microholtes, omdat de emissies gewoon niet helder genoeg waren."

De dichtheid van exciton-polaritonen gevangen in anorganische microholtes is te laag om te worden gedetecteerd in single-shot modus, deels omdat de exciton-polariton niet lang genoeg leeft om de dichtheid op te bouwen.

Om een ​​beter signaal te krijgen, het team gebruikte monsters van ultrahoge kwaliteit die zijn ontworpen en gemaakt door hun medewerkers in de VS, verlengt de levensduur van polaritonen met een orde van grootte en duwt de dichtheid hoog genoeg voor de gevoelige camera om te detecteren.

De beeldvorming onthulde dat in tegenstelling tot het gladde condensaat dat werd waargenomen in gemiddelde experimenten, het condensaat vormt in feite filamenten (zie onderstaande afbeelding) waarvan de oriëntatie varieert van shot tot shot.

Deze filamentatie is het resultaat van polariton-interactie met een onsamenhangend reservoir, en is een intrinsieke eigenschap van niet-evenwichtscondensatie.

Dit kenmerk is vooral uitgesproken voor exciton-polaritonen met een fotonachtig karakter en is minder duidelijk voor exciton-polaritonen met exciton-achtig gedrag, die dichter bij evenwicht zijn.

De studie vond een opmerkelijke overeenkomst tussen experiment en numerieke simulaties, valideren van de achtergrondtheorie van exciton-polariton condensaatdynamica.

Het werk maakt de weg vrij voor verdere fundamentele studies van kwantumfase-overgangen en niet-evenwichtscondensatie in solid-state systemen.

De single-shot experimenten kunnen van cruciaal belang zijn voor ons begrip van de fundamentele (en nog steeds besproken) aard van de gecondenseerde fase in deze systemen.

De studie, "Single-shot condensatie van exciton-polaritonen en het gatverbrandende effect, " werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in augustus 2018.