Um avanço ANU fornece um 'instantâneo' nunca antes alcançado da condensação de Bose-Einstein.

Anteriormente, as observações de exciton-polaritons em um condensado de Bose-Einstein foram limitadas à média estatística de milhões de eventos de condensação.

Imagens 'instantâneas' de polaritons formando um condensado em um semicondutor inorgânico típico foram consideradas impossíveis.

Agora, Pesquisadores da FLEET da Australian National University conduziram um estudo internacional de imagens de exciton-polaritons pela primeira vez como um 'único tiro', em vez de calcular a média.

"Isso oferece uma oportunidade única de compreender os detalhes da condensação de Bose-Einstein de exciton-polaritons, "explica o autor principal Eliezer Estrecho.

Esses avanços fundamentais também auxiliam na pesquisa da FLEET sobre condensação excitônica e superfluidez como um mecanismo de condução eletrônica sem dissipação desperdiçada de energia.

Exciton-polaritons são partículas híbridas que são parte matéria e parte luz, unidos por um forte acoplamento de fótons e pares de elétron-buraco (excitons) dentro de microcavidades semicondutoras, onde podem formar um condensado de Bose-Einstein.

Um condensado de Bose-Einstein (BEC) é um estado quântico da matéria em que todas as partículas têm a mesma energia e comprimento de onda, o que significa que os efeitos quânticos podem ser vistos em uma escala macroscópica. Um BEC pode formar um superfluido, ou seja, fluxo sem resistência.

No entanto, como o tempo de vida do exciton-polariton é medido em picossegundos (trilionésimos de segundo), as observações de BECs sempre incluíram uma média de mais de um milhão de vidas de exciton-polaritons.

É como fazer uma longa exposição de objetos em movimento - você obtém uma imagem borrada.

A equipe ANU certificou-se de que sua câmera sensível capturasse apenas uma vida ou "uma única foto" do condensado, permitindo-lhes observar um comportamento nunca antes visto de exciton-polaritons.

O estudo

A imagem de disparo único é realizada analisando a fotoluminescência da cavidade coerente devido ao decaimento dos exciton-polaritons. "Até agora, "diz a Professora Associada Elena Ostrovskaya, "pensava-se que isso era impossível em microcavidades inorgânicas, porque as emissões simplesmente não eram brilhantes o suficiente. "

A densidade de exciton-polaritons presos em microcavidades inorgânicas é muito baixa para ser detectada no modo de disparo único, em parte porque o exciton-polaritons não vive o suficiente para a densidade aumentar.

Para obter um sinal melhor, a equipe usou amostras de altíssima qualidade projetadas e feitas por seus colaboradores nos EUA, estendendo a vida útil dos polaritons em uma ordem de magnitude e aumentando a densidade o suficiente para a câmera sensível detectar.

A imagem revelou que, ao contrário do condensado suave observado em experimentos de média, o condensado na verdade forma filamentos (veja a imagem abaixo) cuja orientação varia de foto a foto.

Esta filamentação é resultado da interação do polariton com um reservatório incoerente, e é uma propriedade intrínseca da condensação sem equilíbrio.

Esta característica é especialmente pronunciada para exciton-polaritons com caráter semelhante ao fóton e é menos evidente para exciton-polaritons com comportamento semelhante ao do exciton, que estão mais perto do equilíbrio.

O estudo encontrou uma concordância notável entre o experimento e as simulações numéricas, validando a teoria de fundo da dinâmica do condensado exciton-polariton.

O trabalho abre caminho para novos estudos fundamentais de transições de fase quântica e condensação de não equilíbrio em sistemas de estado sólido.

Os experimentos de um único tiro podem ser críticos para nossa compreensão da natureza fundamental (e ainda debatida) da fase condensada nesses sistemas.

O estudo, "Condensação de tiro único de polaritons de excitons e o efeito de queima do buraco, "foi publicado em Nature Communications em agosto de 2018.