Robert Klatt
Physiker haben erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat aus Quasiteilchen erzeugt. In diesem exotischen Materiezustand verhalten sich alle Atome wie ein einzelnes Superatom.
Tokio (Japan). Bose-Einstein-Kondensate sind neben Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Plasmen der fünfte Zustand der Materie. Um sie zu erzeugen, werden Teilchen nahezu auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Dadurch gehen alle Atome in einen identischen Quantenzustand über und verhalten sich wie eine einzige Materialwelle, die auch als „Superatom“ bezeichnet wird.
Ob auch als Quasiteilchen ein Bose-Einstein-Kondensat entstehen, war in der Physik bisher umstritten. Nun haben Forscher der University of Tokyo um Makoto Kuwata-Gonokami erstmals Excitonen in den exotischen Materiezustand gebracht.
„Die direkte Beobachtung eines Excitonen-Kondensats in einem Halbleiter wird schon seit langem versucht – seit dies 1962 theoretisch vorhergesagt wurde. Niemand wusste, ob Quasiteilchen auch ein Bose-Einstein-Kondensat bilden können. Es war eine Art heiliger Gral der Tieftemperatur-Physik.“
Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Communications haben die Physiker für ihr Experiment Kupferoxid (Cu2O) als Halbleiter verwendet, in dem durch Laserbestrahlung und mechanischen Stress Paraexcitonen erzeugt wurde. Anschließend kühlten sie die Paraexcitonen mit einem Verdünnungskryostat auf unter 100 Millikelvin, also auf eine Temperatur nahe am absoluten Nullpunkt.
Laut der Theorie von 1962 müsste unter diesen Bedingungen ein Bose-Einstein-Kondensat entstehen. Überprüft haben die Physiker dies mit einer Infrarot-Absorptionsmessung, die sich auch gut dazu eignet, dunkle Excitonen zu beobachten.
Tatsächlich konnte das Team um Kuwata-Gonokami dabei im Zentrum der Probe auffällige Absorptionssignale nachweisen. Die Energie und Dichte der Wolke zeigt deutlich, dass die Quasiteilchen einen exotischen Quantenzustand eingenommen haben müssen.
„Die Charakterisierung dieser Messwerte spricht stark dafür, dass hier ein Bose-Einstein-Kondensat aus Excitonen entstanden ist.“
Es ist somit nach über 60 Jahren belegt, dass auch Excitonen Bose-Einstein-Kondensate bilden können. Laut der Analyse des Experiments ist aber nur ein kleiner Teil der Excitonen in den Materiezustand übergangen.
„Unsere Entdeckung dieser neuen Form eines Bose-Einstein-Kondensats in einem materieähnlichen Exciton-System könnte den Weg ebnen für das grundlegende Verstehen der quantenstatistischen Mechanik in solchen offene Nichtgleichgewichts-Systemen.“
Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-33103-4
