Bose–Einstein-kondensering av kvasipartiklar

Bose–Einstein-kondensering kan förekomma i kvasipartiklar , partiklar som är effektiva beskrivningar av kollektiva excitationer i material. Vissa har heltalssnurr och kan förväntas följa Bose–Einstein-statistik som traditionella partiklar. Förhållanden för kondensation av olika kvasipartiklar har förutspåtts och observerats. Ämnet fortsätter att vara ett aktivt studieområde.

Egenskaper

BEC bildas när låga temperaturer gör att nästan alla partiklar upptar det lägsta kvanttillståndet. Kondensation av kvasipartiklar sker i ultrakalla gaser och material. De lägre massorna av materialkvasipartiklar i förhållande till atomer leder till högre BEC-temperaturer. En idealisk Bose-gas har en fasövergångar när avståndet mellan partiklar närmar sig den termiska De-Broglie-våglängden: $k_{B}T=~\hbar ^{2}n ^{2/3}/M$ . Den kritiska koncentrationen är då $N\propto (T/2\pi )^{3}u^{1/2}P/v \hbar ^{3}$ , vilket leder till en kritisk temperatur: $T_{c}<32\pi ^{3}\hbar ^{6}V^ {2}u_{0}P^{2}$ . Partiklarna lyder Bose–Einstein-fördelningen och alla upptar grundtillståndet:

Bose-gasen kan betraktas i en harmonisk fälla, $V(r)=M\omega ^{2}/2$ , med marktillståndsbeläggningsfraktionen som en funktion av temperatur:

f(0)={\frac {N_{0}(t)}{N}}=1-\left({\ frac {T}{T_{c}}}\right)^{3}

Detta kan uppnås genom kylning och magnetisk eller optisk styrning av systemet. Spektroskopi kan detektera förskjutningar i toppar som indikerar termodynamiska faser med kondensation. Kvasipartikel BEC kan vara supervätskor. Tecken på sådana tillstånd inkluderar rumslig och tidsmässig koherens och polarisationsförändringar. Observation för excitoner i fasta ämnen sågs 2005 och för magnoner i material och polaritoner i mikrokaviteter 2006. Grafen är ett annat viktigt fast tillståndssystem för studier av kondenserad materia inklusive kvasipartiklar; Det är en 2D elektrongas, liknande andra tunna filmer.

Excitoner

Excitoner är elektron-hål-par. Liknar helium-4- superfluiditet vid $\lambda$ -punkten (2,17K); ett kondensat föreslogs av Böer et al. 1961. Experimentella fenomen förutspåddes som ledde till olika pulsade lasersökningar som misslyckades med att producera bevis. Tecken sågs först av Fuzukawa et al. 1990, men definitiv upptäckt publicerades senare på 2000-talet. Kondenserade excitoner är en superfluid och interagerar inte med fononer. Medan den normala excitonabsorptionen breddas av fononer, degenererar absorptionen i superfluiden till en linje.

Teori

Excitoner är resultatet av fotoner som exciterar elektroner som skapar hål, som sedan attraheras och kan bilda bundna tillstånd. 1s paraexciton och ortoexciton är möjliga. 1s triplettspintillståndet, 12,1 meV under de degenererade ortoexcitontillstånden (livstid ~ns), är frånkopplat och har en lång livslängd till ett optiskt sönderfall. Utspädda gasdensiteter (n~10 ¹⁴ cm ⁻³ ) är möjliga, men paraexcitongenerering skalar dåligt, så betydande uppvärmning sker för att skapa höga densiteter (10 ¹⁷ cm ⁻³ ) som förhindrar BEC. Om man antar att en termodynamisk fas inträffar när separationen når de Broglie-våglängden ( ${\displaystyle \lambda _{dB}})$ ger:

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

()

Där, $n$ är excitondensiteten, effektiv massa (av elektronmassordning) $m_{\text{eff}}$ , och $\hbar$ , $k$ är Planck och Boltzmann konstanter. Densiteten beror på den optiska generationen $g$ och livslängden som: $n=g\tau$ . Avstämda lasrar skapar excitoner som effektivt självutplånar med en hastighet: ${\displaystyle dn/dt=-an^{2}},$ vilket förhindrar en paraexciton med hög densitet BEC. En potentiell brunn begränsar diffusion, dämpar excitonavfall och sänker det kritiska talet, vilket ger en förbättrad kritisk temperatur jämfört med T ^3/2 -skalningen av fria partiklar:

N_{c}=\zeta (3)\left({\frac {kT}{\hbar \omega }}\right)^{3}

Experiment

I en ultraren Cu ₂ O-kristall: $\tau$ = 10s. För ett uppnåeligt T = 0,01K bör en hanterbar optisk pumphastighet på 10 ⁵ /s producera ett kondensat. Mer detaljerade beräkningar av J. Keldysh och senare av D. Snoke et al. startade ett stort antal experimentella sökningar in på 1990-talet som misslyckades med att upptäcka tecken. Pulsmetoder ledde till överhettning, vilket förhindrade kondensattillstånd. Heliumkylning tillåter mili-kelvin-inställningar och kontinuerlig vågoptik förbättras vid pulsade sökningar. Avslappningsexplosion av ett kondensat vid gittertemperatur 354 mK sågs av Yoshioka et al. år 2011. Nyligen genomförda experiment av Stolz et al. användning av en potentiell fälla har gett fler bevis vid ultralåg temperatur 37 mK. I en parabolisk fälla med excitontemperatur 200 mK och livslängd breddad till 650ns, har luminescensens beroende av laserintensiteten en kink som indikerar kondens. Teorin om en Bose-gas utvidgas till en medelfältsinteragerande gas genom en Bogoliubov-metod för att förutsäga excitonspektrumet; Kinken anses vara ett tecken på övergång till BEC. Tecken sågs på en tät gas BEC i en GaAs-kvantbrunn.

Magnoner

Magnoner , elektronspinvågor, kan styras av ett magnetfält. Densiteter från gränsen för en utspädd gas till en starkt interagerande Bose-vätska är möjliga. Magnetisk ordning är analogen till superfluiditet. Kondensatet uppträder som emission av monokromatiska mikrovågor, som är avstämbara med det applicerade magnetfältet.

1999 påvisades kondensation i antiferromagnetisk Tl Cu Cl ₃ , vid temperaturer så höga som 14 K. Den höga övergångstemperaturen (i förhållande till atomgaser) beror på den lilla massan (nära en elektron) och större densitet. 2006 sågs kondens i en ferromagnetisk Yttrium-järn-granat tunn film även vid rumstemperatur med optisk pumpning. Kondensation rapporterades i gadolinium 2011. Magnon BEC har betraktats som qubits för kvantberäkning .

Polaritons

Polaritoner , orsakade av ljuskoppling till excitoner, förekommer i optiska kaviteter och kondensation av exciton-polaritoner i en optisk mikrokavitet publicerades först i Nature 2006. Halvledarkavitetspolaritongaser övergår till marktillståndsockupation vid 19K. Bogoliubov-excitationer sågs polariton BECs 2008. Signaturerna av BEC observerades vid rumstemperatur för första gången 2013, i en stor excitonenergi -halvledarenhet och i en polymermikrokavitet.

Andra kvasipartiklar

Rotons , en elementär excitation i superfluid ⁴ Han introducerades av Landau, diskuterades av Feynman och andra. Rotoner kondenserar vid låg temperatur. Experiment har föreslagits och det förväntade spektrumet har studerats, men rotonkondensat har inte upptäckts. Fononer observerades först i ett kondensat 2004 genom ultrakorta pulser i en vismutkristall vid 7K.

Viktiga publikationer

Ando, Tsuneya; Fowler, Alan B.; Stern, Frank (1 mars 1982). "Elektroniska egenskaper hos tvådimensionella system". Recensioner av modern fysik . American Physical Society (APS). 54 (2): 437–672. Bibcode : 1982RvMP...54..437A . doi : 10.1103/revmodphys.54.437 . ISSN 0034-6861 .
Dalfovo, Franco; Giorgini, Stefano; Pitaevskii, Lev P.; Stringari, Sandro (1 mars 1999). "Teorin om Bose-Einstein kondensation i fångade gaser". Recensioner av modern fysik . American Physical Society (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 juli 2008). "Mångkroppsfysik med ultrakalla gaser". Recensioner av modern fysik . 80 (3): 885–964. arXiv : 0704.3011 . Bibcode : 2008RvMP...80..885B . doi : 10.1103/revmodphys.80.885 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119618473 .
Bugrij, AI; Loktev, VM (2007). "Om teorin om Bose-Einstein-kondensering av kvasipartiklar: Om möjligheten till kondensation av ferromagnoner vid höga temperaturer". Lågtemperaturfysik . AIP-publicering. 33 (1): 37–50. Bibcode : 2007LTP....33...37B . doi : 10.1063/1.2409633 . ISSN 1063-777X . S2CID 119340633 .
Butov, LV; Lai, CW; Ivanov, AL; Gossard, AC; Chemla, DS (2002). "Mot Bose–Einstein-kondensering av excitoner i potentiella fällor". Naturen . Springer Nature. 417 (6884): 47–52. Bibcode : 2002Natur.417...47B . doi : 10.1038/417047a . ISSN 0028-0836 . PMID 11986661 . S2CID 4373555 .

Se även