Bose-gecondenseerde kwantumvloeistoffen zijn niet voor altijd. Dergelijke toestanden omvatten supervloeistoffen en Bose-Einstein-condensaten (BEC's).

Er is een prachtige zuiverheid in zulke exotische staten, waarin elk deeltje zich in dezelfde kwantumtoestand bevindt, waardoor kwantumeffecten op macroscopisch niveau zichtbaar zijn op een eenvoudige microscoop.

In werkelijkheid echter niet alle deeltjes blijven in het condensaat, zelfs niet bij het absolute nulpunt, waar, klassiek, deeltjes zullen naar verwachting stilstaan. In plaats daarvan, interactie-geïnduceerde kwantumfluctuaties zorgen ervoor dat de deeltjes botsen, onvermijdelijk enkele deeltjes uit het condensaat verdrijven, een fenomeen dat 'kwantumuitputting' wordt genoemd.

Dit effect is ongelooflijk sterk in supervloeibaar helium-4, de eerste bekende superfluïde, zodat 90% van de deeltjes uit het condensaat wordt verdreven. Echter, in extreem verdunde, ultrakoude atoomgassen, die de typische Bose-Einstein-condensaten (BEC) vormen die we kennen, het effect is veel zwakker, bijna te verwaarlozen.

Hoewel kwantumuitputting theoretisch goed is beschreven (door de 70 jaar oude theorie ontwikkeld door Nikolay Bogoliubov), het is van oudsher bekend dat het om een ​​aantal redenen moeilijk te meten is in een atomaire BEC.

In plaats van atomaire deeltjes, natuurkundigen van de Australian National University (ANU) gebruiken exciton-polaritonen, hybride deeltjes met zowel licht als materie karakter, die detectie van momentum mogelijk maakt zonder enige vervorming.

Het ANU-team, onder leiding van prof. Elena Ostrovskaya, met succes de verdreven deeltjes gedetecteerd door het licht te blokkeren, met behulp van een scheermesje, uitgestoten door het ongelooflijk heldere condensaat. "Het is alsof je een zonsverduistering nabootst, " zegt de hoofdauteur van de studie, Dr. Maciej Pieczarka. "De maan blokkeert de felle zon (het condensaat) en legt zijn glorieuze corona bloot (de excitaties)."

De studie vertegenwoordigt de eerste directe waarneming van kwantumuitputting in een niet-evenwichts Bose-Einstein-condensaat (BEC).

'Lichtachtige' condensaten gedragen zich niet zoals we zouden verwachten. er is geen verklaring voor dit gedrag

Een verrassend resultaat van de studie biedt een nieuwe uitdaging voor de fysica van kwantumvloeistoffen die niet in evenwicht zijn. Exciton-polaritoncondensaten kunnen worden afgestemd van meer materieachtig (excitonisch) naar meer lichtachtig (fotonisch), waardoor vergelijking met theorieën van evenwicht atomaire (materie) condensaat en niet-evenwicht kwantumvloeistoffen van licht.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer condensaten "materieachtig waren, " ze gedroegen zich precies zoals verwacht voor een BEC in thermisch evenwicht (beschreven door de al lang bestaande Bogoliubov-theorie).

Echter, condensaten die "lichtachtig" waren, weken af ​​van het verwachte Bogoliubov-gedrag, op een manier die niet wordt beschreven door bestaande theorieën

Kortom, zelfs als deze condensaten gedreven-dissipatief zijn, ze kunnen zich gedragen als atomaire condensaten in evenwicht (wanneer ze materieachtig zijn) of een niet-evenwichtige kwantumvloeistof (wanneer ze lichtachtig zijn).

Negatieve excitatie waargenomen

Het onderzoek lost een al lang bestaand probleem in exciton-polaritoncondensaten op:het probleem van de zichtbaarheid van excitatietakken.

Kwantumuitputting leidt tot zichtbaarheid van spooktakken in het spectrum van excitaties. Eerder, alleen de positieve of normale excitaties waren ooit waargenomen in een spontaan gecreëerde, stabiele BEC, terwijl de door Bogoliubov voorspelde negatieve of spookexcitaties aan waarnemingen in dit regime ontsnapten.

Nutsvoorzieningen, het ANU-team gebruikte de door interactie gedomineerde condensaten met hoge dichtheid, in het stationaire regime, om het zeer zwakke signaal van de spookdeeltjes te vergroten. Deze studie demonstreert de eerste duidelijke experimentele waarneming van deze spooktak van elementaire excitaties in een spontaan gecreëerde, stationair exciton-polariton condensaat.

In tegenstelling tot zijn normale tegenhanger, de spookdeeltjes kunnen alleen worden gecreëerd door kwantumfluctuaties en hun detectie in deze studie is het rokende kanon van de kwantumuitputting van exciton-polaritoncondensaten.

"Het ironische van deze uitgestoten deeltjes is dat hoewel ze strikt genomen geen deel uitmaken van het condensaat, ze vertellen je eigenlijk bijna alles over het uitgeputte condensaat, " zegt co-auteur Dr. Eliezer Estrecho.

Het door de ANU geleide team gebruikte de observatie van de spooktak om de sterkte van interacties van exciton-polaritonen nauwkeurig te meten, een belangrijke parameter die een controversieel grote onzekerheid had op basis van metingen van andere groepen. Het resultaat is volledig in overeenstemming met eerder werk van het ANU-team (zie hieronder), waar de hoge dichtheid, interactie-gedomineerd condensaat werd toevallig gecombineerd met het gatverbrandende effect. Uitstekende overeenstemming met de theorie heeft eindelijk de controverse beslecht.

Supervloeistoffen en kwantumcondensaten

supervloeistoffen, zoals Helium-4, zijn nauw verwant aan Bose-Einstein-condensaten (BEC) van op elkaar inwerkende bosonen.

"Quantum uitputting" beschrijft het proces waarbij, zelfs bij Absolute Zero, sommige van de deeltjes die de macroscopische kwantumtoestand bezetten, worden geëxciteerd naar hogere impulstoestanden via interdeeltjesinteracties en kwantumfluctuaties.

Eigenlijk, dergelijke deeltjes worden uit het condensaat verdreven.

Kwantumuitputting is bijzonder moeilijk te meten in niet-evenwichtssystemen zoals exciton-polaritoncondensaten (fotonen gekoppeld aan elektron-gatparen in een halfgeleider) omdat er andere processen zijn die hetzelfde verdrijvingseffect kunnen produceren

In de nieuwe studie kwantumuitputting van een optisch gevangen exciton-polaritoncondensaat met hoge dichtheid wordt waargenomen door de veelbetekenende signatuur van het proces van de spookdeeltjes die de negatieve tak van elementaire excitaties bezetten direct te detecteren.

"De resultaten vragen om een ​​dieper begrip van de relatie tussen evenwicht en niet-evenwicht BEC's, " zegt prof. Elena Ostrovskaya.

Het team, waaronder theoriemedewerkers binnen het Monash University-knooppunt van FLEET, breidt nu hun werk uit om diepere onderliggende eigenschappen op te helderen, zoals de fasen en universele relaties, van deze lichte-materiehybride van een condensaat.

"Observatie van kwantumuitputting in een niet-evenwicht exciton-polariton condensaat" werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in januari.