- 研究人員觀察到可調節的玻色-愛因斯坦凝聚體由激子組成。
- 激子是短暫的準粒子，通常在光學生成後壽命極短。
- 研究發現凝聚體具有兩個組件和不同的內部自旋-谷結構。
- 這項研究為量子流體的研究和量子技術發展鋪平了道路。
美國洛倫斯伯克利國家實驗室的研究人員觀察到一種可調節的玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC），該凝聚體由激子組成，並存在於一種原子級薄的半導體中。與科學家普遍假設的 BEC 沒有個別身份不同，研究人員發現該凝聚體具有可通過磁場調節的內部結構。BEC 是一種相干的量子態，其中多個粒子聚集在一起，並作為一個相干的物體行動。科學家們也將其稱為物質的第五態，因為這些粒子失去了個別身份，並表現為一個整體。
六十多年以來，科學家們一直致力於利用激子或電子-空穴對生成 BEC。然而，在半導體設備中，這一過程特別困難，因為光學生成的激子壽命極短，通常不超過十億分之一秒。加州大學伯克利分校材料科學部的高級科學家王峯解釋道：「雖然之前的研究顯示電子和空穴可以結合形成激子，但並沒有簡單的方法來確定這些激子是否形成了凝聚體，也無法確定該凝聚體具有什麼樣的內部量子序。」他表示，「我們的工作提供了一種直接訪問該隱藏結構的方法。」
激子的生成與觀察
激子是由一對激發的電子和帶正電的空穴形成的準粒子。在大多數實驗中，激子是使用光生成的，並存在於短暫的激發態中。在研究中，王峯和他的團隊設計了一個二維半導體設備，使激子可以在基態中觀察到。該設備由兩層原子級薄的半導體材料組成，即二硒化鉬（MoSe2）和二硒化鉬（WSe2）。在這個設置中，MoSe2 作為上層，承載電子，而下層的 WSe2 則承載電子空穴。兩層之間隔著一層不超過數個原子厚的六方氮化硼（hBN），同時使它們能夠強烈吸引以生成激子。
在低温條件下，研究人員使用磁光光譜技術將設備冷卻至接近絕對零度的温度，並測量電子和空穴組件對小磁場的響應。激子的表現符合預期地以集體方式進行。然而，研究人員在高達 2 開爾文的温度下仍然觀察到了凝聚體的特徵。雖然這些温度極為寒冷，但仍然是比在超冷原子氣體中觀察到的 BEC 演示高出數百萬倍。
凝聚體的內部結構
在原子級薄的半導體中，電子和空穴不僅是電荷和自旋的載體，還是名為「谷」的量子性質的載體。這與它們在晶體材料內部的運動或自由度有關，並為激子賦予了多種風味或自旋模式。在他們的研究中，王峯和同事發現玻色-愛因斯坦凝聚體不僅僅是單一風味的量子態，而是具有兩個組件，每個組件具有不同風味的內部自旋-谷結構。這導致了多種不僅獨特而且可以通過磁場開啟的凝聚體相。這種設置中的激子不僅是短暫的粒子，而是形成了一種平衡的量子流體，並可以通過電和磁進行調節。
這是因為它不僅僅是一個凝聚體，還具有科學家可以控制的內部結構。這項研究為在固體材料中研究量子流體的開發鋪平了道路。這將有助於利用量子技術發展下一代電信和計算領域，以及基於激子的設備，新聞稿指出。
這項研究結果已發表在《自然》期刊上。
可調整凝聚體對量子技術的影響
這項研究顯示出玻色-愛因斯坦凝聚體的可調整性，這對於量子流體的研究至關重要。激子在半導體中的應用，尤其是其可控的內部結構，可能會推動量子技術的發展，特別是在電信和計算領域。這樣的進展不僅有助於理解量子現象，還可能促進新型量子設備的實現，進一步拓展量子科技的應用範疇。