Physiker haben exotische Teilchen – Exzitonen – so effektiv gefangen und gekühlt, dass sie konden-sierten und zusammenfanden, um eine riesige Materiewelle zu bilden.
Diese Leistung wird Wissenschaftlern erlauben, die physikalischen Eigenschaften von Exzitonen besser zu verstehen, die zwar nur flüchtig existieren, aber aussichtsreiche Anwendungen bieten, beispielsweise die effiziente Nutzung von Sonnenenergie und ultraschnelle Computerberech-nungen.
„Die Realisation des Exzitonen-Kondensats in einer Falle eröffnet eine Möglichkeit, diesen interessanten Zustand zu studieren. Fallen erlauben die Kontrolle des Kondensats und bieten einen neuen Weg, um die fundamentalen Eigenschaften von Licht und Materie zu untersuchen“, sagte Leonid Butov, Professor für Physik an der University of California in San Diego. Eine Abhandlung über den Erfolg des Teams wurde kürzlich in dem Wissenschaftsmagazin Nano Letters veröffentlicht.
Exzitonen bestehen aus einem Elektron und einem „Loch„, das von einem fehlenden Elektron hinterlassen wurde. Diese verbundenen Paare werden durch Licht erzeugt und existieren in der Natur. Die Entstehung und Dynamik von Exzitonen spielen beispielsweise eine entscheidende Rolle bei der Photosynthese.
Wie andere Materie haben auch Exzitonen quantenmechanisch betrachtet eine duale Natur aus Teilchen und Welle. Die Wellen sind normalerweise nicht synchronisiert, aber wenn die Teilchen genug gekühlt werden, um zu kondensieren, dann synchronisieren sich ihre Wellen und bilden gemeinsam eine riesige Materiewelle – ein Zustand, den andere Forscher bei Atomen beobachtet haben.
Wissenschaftler können Exzitonen leicht erschaffen, indem sie Licht auf einen Halbleiter scheinen lassen, aber um die Exzitonen kondensieren zu lassen, müssen sie gekühlt werden, bevor sie sich rekombinieren. Der Schlüssel zum Erfolg des Teams war es, die Elektronen weit genug von ihren Löchern zu entfernen, so dass die Exzitonen lange genug überleben konnten, um von den Wissenschaftlern in ein Kondensat gekühlt zu werden. Sie erreichten dies durch die Erzeugung von Strukturen namens „coupled quantum wells“ (etwa: verbundene Quantenquellen), die Elektronen von ihren Löchern in Schichten verschiedener Legierungen trennten, welche aus Gallium, Arsen und Aluminium bestehen.
Dann stellten sie eine elektrostatische Falle aus einer diamantförmigen Elektrode auf und kühlten ihr spezielles halbleitendes Material in einem optischen 3He-4He-Mischungskühler bis auf 50 Millikelvin ab – den Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt.
Ein auf die Oberfläche des Materials fokussierter Laser erzeugte die Exzitonen, die mit fortschreitender Kühlung begannen, sich am Boden der Falle anzusammeln. Unterhalb von einem Kelvin verband sich die gesamte Exzitonenwolke, um eine einzige Materiewelle zu bilden, die Signatur eines Zustands, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist.
Andere Wissenschaftler haben beobachtet, wie komplette Atome dies getan haben, wenn sie in einer Falle gefangen und gekühlt wurden, aber das ist das erste Mal, dass Forscher die Entstehung kohärenter Materiewellen aus subatomaren Teilchen in einer Falle beobachtet haben. Variationen bei der Größe und Tiefe der Falle werden den kohärenten Exzitonenzustand verändern, was diesem Team und anderen Forschern die Möglichkeit geben wird, die Eigenschaften von Licht und Materie auf eine neue Weise zu untersuchen.
Diese neueste Entdeckung stammt von einer laufenden Zusammenarbeit zwischen Leonid Butovs Forschungsgruppe von der Division of Physical Sciences an der UC San Diego, darunter Alexander High, Jason Leonard und Mikas Remeika, und Micah Hanson sowie Arthur Gossard vom Materials Department an der UC Santa Barbara. Das Army Research Office und die National Science Foundation finanzierten die Experimente und das Department of Energy unterstützte die Entwicklung der Spektroskopie in dem optischen 3He-4He-Mischungskühler – der Technik, die für die Beobachtung des Exzitonen-Kondensats in einer Falle verwendet wurde.
Quelle: http://ucsdnews.ucsd.edu/pressreleases/exotic_particles_chilled_and_trapped_form_giant_matter_wave/
(THK)
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