Физики из США создали новое состояние материи — квантовую жидкость — в твердом полупроводнике. Это открытие приближает создание сверхбыстрых компьютеров, которые будут работать на принципах квантовой когерентности.
Конденсаты Бозе — Эйнштейна представляют собой квантовое состояние вещества, при котором частицы теряют индивидуальность и функционируют как единая когерентная система. В течение более шести десятилетий ученые стремились создать подобные конденсаты на основе экситонов — связанных пар электронов и дырок — в твердотельных устройствах, что открыло бы путь к новым квантовым технологиям. Однако ранее это было затруднительно из-за крайне малого времени жизни экситонов (около наносекунды) при оптическом возбуждении, тогда как КБЭ традиционно получали в сверхохлажденных разреженных газах.
В новой работе ученые сконструировали двумерное полупроводниковое устройство, в котором экситоны находятся не в возбужденном, а в основном состоянии, что позволяет им достигать равновесия и формировать конденсат. С помощью магнитооптической спектроскопии при криогенных температурах они измерили реакцию электронов и дырок на слабые магнитные поля, а также использовали электрические затворы для регулировки плотности экситонов.
Неожиданно для исследователей признаки конденсации сохранялись при температуре около 2 кельвинов (–456 °F). Хотя это все еще крайне низкая температура, она на несколько порядков выше, чем в экспериментах с ультрахолодными атомными газами. При этом экситоны в устройстве вели себя как равновесная квантовая жидкость, параметры которой можно контролировать внешними полями.
Особенностью полученного конденсата оказалась его внутренняя структура. Благодаря наличию у частиц в атомарно тонких материалах дополнительных квантовых степеней свободы — так называемых «долин» — экситоны могут существовать в нескольких спиновых конфигурациях. В ходе эксперимента было установлено, что конденсат состоит из двух компонентов с различными спиновыми состояниями, а переход между ними можно осуществлять, изменяя магнитное поле.
Созданная платформа предоставляет новые возможности для изучения квантовых жидкостей в твердых телах. В перспективе результаты могут найти применение в квантовом моделировании, оптоэлектронике для телекоммуникаций и при разработке вычислительных устройств на основе экситонов. В дальнейшем ученые планируют продемонстрировать квантовые схемы, использующие свойства сверхтекучести экситонного конденсата.
Читайте также: Ученые передали квантовый ключ на 227 км по оптоволокну с помощью одиночных фотонов.