Kondensacja kwazicząstek Bosego-Einsteina

Kondensacja Bosego-Einsteina może zachodzić w kwazicząstkach , cząstkach, które są skutecznymi opisami zbiorowych wzbudzeń w materiałach. Niektóre mają spiny całkowite i można oczekiwać, że będą zgodne ze statystykami Bosego-Einsteina, podobnie jak tradycyjne cząstki. Przewidywano i obserwowano warunki kondensacji różnych kwazicząstek. Temat nadal jest aktywnym kierunkiem studiów.

Nieruchomości

BEC powstają, gdy niskie temperatury powodują, że prawie wszystkie cząstki zajmują najniższy stan kwantowy. Kondensacja kwazicząstek zachodzi w ultrazimnych gazach i materiałach. Mniejsze masy kwazicząstek materiału w stosunku do atomów prowadzą do wyższych temperatur BEC. Idealny gaz Bosego ma przemiany fazowe, gdy odstępy międzycząsteczkowe zbliżają się do termicznej długości fali De-Brogliego: ${\ Displaystyle k_ {B} T = ~ \ hbar ^ {2} n ^{2/3}/M}$ . Stężenie krytyczne wynosi wtedy ${\ Displaystyle N \ propto (T / 2 \ pi) ^ {3} u ^ {1/2} P / v \ hbar ^ {3}}$ , co prowadzi do temperatury krytycznej: ${\ Displaystyle T_ {c}<32 \ pi ^ {3} \ hbar ^ {6} V ^ {2}u_{0}P^{2}}$ . Cząstki są zgodne z rozkładem Bosego-Einsteina i wszystkie zajmują stan podstawowy:

Gaz Bose można $podstawowego$ frakcją temperatura:

{\ Displaystyle f (0) = {\ Frac {N_ {0} (t)}} {N}} = 1- \ lewo ({\ frac {T}{T_{c}}}\prawo)^{3}}

Można to osiągnąć poprzez chłodzenie i kontrolę magnetyczną lub optyczną systemu. Spektroskopia może wykrywać przesunięcia pików wskazujące na fazy termodynamiczne z kondensacją. Kwazicząstki BEC mogą być nadciekłymi. Oznakami takich stanów są spójność przestrzenna i czasowa oraz zmiany polaryzacji. Obserwacje ekscytonów w ciałach stałych zaobserwowano w 2005 r., a magnonów w materiałach i polarytonów w mikrownękach w 2006 r. Grafen to kolejny ważny układ w stanie stałym do badań materii skondensowanej, w tym quasi-cząstek; To dwuwymiarowy gaz elektronowy, podobny do innych cienkich warstw.

ekscytony

Ekscytony to pary elektron-dziura. Podobny do nadciekłości helu-4 w punkcie - (2,17 K); ${\ displaystyle \ lambda}$ kondensat zaproponowali Böer i in. w 1961 r. Przewidywano eksperymentalne zjawisko prowadzące do różnych poszukiwań laserem pulsacyjnym, które nie przyniosły dowodów. Znaki zostały po raz pierwszy zauważone przez Fuzukawę i in. w 1990 r., ale ostateczne wykrycie zostało opublikowane później w 2000 roku. Skondensowane ekscytony są cieczą nadciekłą i nie wchodzą w interakcje z fononami. Podczas gdy normalna absorpcja ekscytonów jest poszerzana przez fonony, w absorpcji nadciekłej degeneruje się do linii.

Teoria

Ekscytony powstają w wyniku wzbudzenia przez fotony elektronów tworzących dziury, które następnie są przyciągane i mogą tworzyć stany związane. Możliwe są paraekscyton i ortoekscyton 1s. Stan wirowania trypletu 1s, 12,1 meV poniżej zdegenerowanych stanów ortoekscytonu (czas życia ~ ns), jest odsprzężony i ma długi czas życia do rozpadu optycznego. Gęstości rozcieńczonego gazu (n ~ 10 ¹⁴ cm ^-3 ) są możliwe, ale wytwarzanie paraekscytonu skaluje się słabo, więc przy tworzeniu wysokich gęstości (10 ¹⁷ cm ^-3 ) zachodzi znaczne ogrzewanie, zapobiegając BEC. Zakładając, że faza termodynamiczna występuje, gdy separacja osiąga długość fali de Broglie'a ( ) daje: ${\ displaystyle \ lambda _ {dB}}$

{\ Displaystyle n ^ {1/3} = \ hbar ^ {- 1} (m_{\text{eff}}kT_{cr})^{1/2}\longrightarrow T_{c}={\frac {n^{2/3}\hbar ^{2}}{km_{\text {efekt}}}}}

()

gdzie ${\ displaystyle n}$ jest gęstością ekscytonów, efektywną masą (rzędu masy elektronów) $i$ $\ displaystyle \ hbar}$ , $}$ ${\$ k to stałe Plancka i Boltzmanna. Gęstość zależy od generacji optycznej $displaystyle$ czasu życia jako: $n = g \ tau}$ . Dostrojone lasery tworzą ekscytony, które skutecznie ulegają samounicestwieniu z szybkością: ${\ Displaystyle dn/dt=-an ^ {2}}$ , zapobiegając paraekscytonowi BEC o dużej gęstości. Potencjał ogranicza dyfuzję, tłumi zanik ekscytonów i obniża liczbę krytyczną, dając lepszą temperaturę krytyczną w porównaniu do skalowania T ^3/2 swobodnych cząstek:

{\ Displaystyle N_ {c} = \ zeta (3) \ lewo ({\ Frac {kT} {\ hbar \ omega}} \ prawej) ^ {3} }

Eksperymenty

W ultraczystym krysztale Cu ₂ O: ${\ displaystyle \ tau}$ = 10s. Dla osiągalnego T = 0,01 K, możliwa do opanowania szybkość pompowania optycznego 10 ⁵ /s powinna wytworzyć kondensat. Bardziej szczegółowe obliczenia J. Keldysha, a później D. Snoke i in. rozpoczął dużą liczbę eksperymentalnych poszukiwań w latach 90., które nie wykryły znaków. Metody pulsacyjne prowadziły do przegrzania, zapobiegając powstawaniu stanów kondensacyjnych. Chłodzenie helem umożliwia konfiguracje mili-kelwinów, a optyka fali ciągłej poprawia wyszukiwanie impulsowe. Eksplozję relaksacyjną kondensatu przy temperaturze sieci 354 mK zaobserwowali Yoshioka i in. w 2011 r. Ostatnie eksperymenty Stolza i in. użycie potencjalnej pułapki dostarczyło więcej dowodów w ultraniskiej temperaturze 37 mK. W pułapce parabolicznej o temperaturze ekscytonu 200 mK i czasie życia rozszerzonym do 650 ns zależność luminescencji od intensywności lasera ma załamanie, które wskazuje na kondensację. Teoria gazu Bosego została rozszerzona na gaz oddziałujący ze średnim polem za pomocą podejścia Bogoliubowa w celu przewidywania widma ekscytonów; Załamanie jest uważane za znak przejścia do BEC. Widoczne były oznaki obecności gęstego gazu BEC w studni kwantowej GaAs.

magnony

Magnony , fale spinowe elektronów, mogą być kontrolowane przez pole magnetyczne. Możliwe są gęstości od granicy rozcieńczonego gazu do silnie oddziałującej cieczy Bosego. Porządkowanie magnetyczne jest analogiem nadciekłości. Kondensat pojawia się jako emisja monochromatycznych mikrofal, które można dostroić do przyłożonego pola magnetycznego.

W 1999 r. wykazano kondensację w antyferromagnetyku Tl Cu Cl ₃ , w temperaturach sięgających 14 K. Wysoka temperatura przejścia (w stosunku do gazów atomowych) wynika z małej masy (w pobliżu elektronu) i większej gęstości. W 2006 roku kondensację w ferromagnetycznej cienkiej warstwie itrowo-żelazowo-granatowej zaobserwowano nawet w temperaturze pokojowej przy pompowaniu optycznym. Kondensację odnotowano w gadolinie w 2011 r. BEC Magnon zostały uznane za kubity do obliczeń kwantowych .

Polarytony

Polarytony , spowodowane sprzężeniem światła z ekscytonami, występują we wnękach optycznych, a kondensacja polarytonów ekscytonów w mikrownęce optycznej została po raz pierwszy opublikowana w Nature w 2006 roku. Gazy polarytonowe wnęki półprzewodnikowej przechodzą do stanu podstawowego przy 19K. Wzbudzenia Bogoliubowa zaobserwowano polarytonowe BEC w 2008 r. Sygnatury BEC zaobserwowano po raz pierwszy w temperaturze pokojowej w 2013 r. W dużym ekscytonów oraz w mikrownęce polimerowej.

Inne kwazicząstki

Rotony , elementarne wzbudzenie w stanie nadciekłym ⁴ Wprowadzone przez Landaua, były omawiane przez Feynmana i innych. Rotony skraplają się w niskiej temperaturze. Zaproponowano eksperymenty i zbadano oczekiwane widmo, ale nie wykryto kondensatów rotonów. Fonony po raz pierwszy zaobserwowano w kondensacie w 2004 roku za pomocą ultrakrótkich impulsów w krysztale bizmutu w temperaturze 7K.

Ważne publikacje

Ando, Tsuneya; Fowler, Alan B.; Stern, Frank (1 marca 1982). „Właściwości elektroniczne układów dwuwymiarowych”. Recenzje współczesnej fizyki . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 54 (2): 437–672. Bibcode : 1982RvMP...54..437A . doi : 10.1103/revmodphys.54.437 . ISSN 0034-6861 .
Dalfovo, Franco; Giorgini, Stefano; Pitajewski, Lew P.; Stringari, Sandro (1 marca 1999). „Teoria kondensacji Bosego-Einsteina w uwięzionych gazach”. Recenzje współczesnej fizyki . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 71 (3): 463–512. arXiv : cond-mat/9806038 . Bibcode : 1999RvMP...71..463D . doi : 10.1103/revmodphys.71.463 . ISSN 0034-6861 . S2CID 55787701 .
Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Zwerger, Wilhelm (18 lipca 2008). „Fizyka wielu ciał z ultrazimnymi gazami”. Recenzje współczesnej fizyki . 80 (3): 885–964. ar Xiv : 0704.3011 . Bibcode : 2008RvMP...80..885B . doi : 10.1103/revmodphys.80.885 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119618473 .
Bugrij, AI; Loktev, VM (2007). „O teorii kondensacji kwazicząstek Bosego-Einsteina: o możliwości kondensacji ferromagnonów w wysokich temperaturach”. Fizyka niskich temperatur . Wydawnictwo AIP. 33 (1): 37–50. Bibcode : 2007LTP....33...37B . doi : 10.1063/1.2409633 . ISSN 1063-777X . S2CID 119340633 .
Butov, LV; Lai, CW; Iwanow AL; Gossard, AC; Chemla, DS (2002). „W kierunku kondensacji ekscytonów Bosego-Einsteina w potencjalnych pułapkach”. Natura . Przyroda Springera. 417 (6884): 47–52. Bibcode : 2002Natur.417...47B . doi : 10.1038/417047a . ISSN 0028-0836 . PMID 11986661 . S2CID 4373555 .

Zobacz też