Condensat de la première quasi-particule de Bose-Einstein —

Un article décrivant le processus de création de la substance, réalisé à des températures proches du zéro absolu, a été publié dans la revue Communication Nature.

Les condensats de Bose-Einstein sont parfois décrits comme le cinquième état de la matière, aux côtés des solides, des liquides, des gaz et des plasmas. Théoriquement prédits au début du XXe siècle, les condensats de Bose-Einstein, ou BEC, n’ont été créés dans un laboratoire qu’en 1995. Ils constituent peut-être aussi l’état le plus étrange de la matière, et beaucoup d’entre eux restent inconnus de la science.

Les BEC se produisent lorsqu’un groupe d’atomes est refroidi à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Les chercheurs utilisent couramment des lasers et des “pièges magnétiques” pour réduire régulièrement la température d’un gaz, généralement composé d’atomes de rubidium. À cette température ultrafroide, les atomes bougent à peine et commencent à présenter un comportement très étrange. Ils connaissent le même état quantique – presque comme des photons cohérents dans un laser – et commencent à s’agglutiner, occupant le même volume qu’un “super atome” indiscernable. La collection d’atomes se comporte essentiellement comme une seule particule.

Actuellement, les BEC font l’objet de nombreuses recherches fondamentales et pour simuler des systèmes de matière condensée, mais en principe, ils ont des applications dans le traitement de l’information quantique. L’informatique quantique, encore à ses débuts, utilise un certain nombre de systèmes différents. Mais ils dépendent tous de bits quantiques, ou qubits, qui sont dans le même état quantique.

La plupart des BEC sont fabriqués à partir de gaz dilués d’atomes ordinaires. Mais jusqu’à présent, un BEC composé d’atomes exotiques n’a jamais été réalisé.

Les atomes exotiques sont des atomes dans lesquels une particule subatomique, comme un électron ou un proton, est remplacée par une autre particule subatomique qui a la même charge. Le positronium, par exemple, est un atome exotique composé d’un électron et de son antiparticule chargée positivement, un positron.

Un « exciton » est un autre exemple de ce type. Lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, l’énergie est suffisante pour “exciter” les électrons afin qu’ils passent du niveau de valence d’un atome à son niveau de conduction. Ces électrons excités circulent ensuite librement dans un courant électrique, transformant essentiellement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Lorsque l’électron chargé négativement effectue ce saut, l’espace laissé derrière, ou “trou”, peut être traité comme s’il s’agissait d’une particule chargée positivement. L’électron négatif et le trou positif sont attirés et donc liés ensemble.

Combinée, cette paire électron-trou est une « quasi-particule » électriquement neutre appelée exciton. Une quasi-particule est une entité semblable à une particule qui ne compte pas comme l’une des 17 particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules, mais qui peut toujours avoir des propriétés de particules élémentaires comme la charge et le spin. La quasi-particule d’exciton peut également être décrite comme un atome exotique car il s’agit en fait d’un atome d’hydrogène dont l’unique proton positif a été remplacé par un seul trou positif.

Les excitons se présentent sous deux formes : les orthoexcitons, dans lesquels le spin de l’électron est parallèle au spin de son trou, et les paraexcitons, dans lesquels le spin de l’électron est antiparallèle (parallèle mais dans le sens opposé) à celui de son trou.

Les systèmes électron-trou ont été utilisés pour créer d’autres phases de la matière telles que le plasma électron-trou et même des gouttelettes de liquide d’exciton. Les chercheurs voulaient voir s’ils pouvaient fabriquer un BEC à partir d’excitons.

“L’observation directe d’un condensat d’excitons dans un semi-conducteur tridimensionnel est très recherchée depuis sa première proposition théorique en 1962. Personne ne savait si les quasiparticules pouvaient subir une condensation de Bose-Einstein de la même manière que les particules réelles”, a déclaré Makoto Kuwata- Gonokami, physicien à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’article. “C’est en quelque sorte le Saint Graal de la physique à basse température.”

Les chercheurs pensaient que les paraexcitons de type hydrogène créés dans l’oxyde cuivreux (Cu₂O), un composé de cuivre et d’oxygène, étaient l’un des candidats les plus prometteurs pour la fabrication de BEC d’excitons dans un semi-conducteur massif en raison de leur longue durée de vie. Des tentatives de création d’un BEC paraexciton à des températures d’hélium liquide d’environ 2 K avaient été faites dans les années 1990, mais avaient échoué car, pour créer un BEC à partir d’excitons, des températures bien inférieures à celles-ci étaient nécessaires. Les orthoexcitons ne peuvent pas atteindre une température aussi basse car leur durée de vie est trop courte. Les paraexcitons, cependant, sont expérimentalement bien connus pour avoir une durée de vie extrêmement longue de plusieurs centaines de nanosecondes, suffisamment longue pour les refroidir à la température souhaitée d’un BEC.

L’équipe a réussi à piéger les paraexcitons dans la masse de Cu₂O en dessous de 400 millikelvins à l’aide d’un réfrigérateur à dilution, un dispositif cryogénique qui refroidit en mélangeant deux isotopes d’hélium ensemble et qui est couramment utilisé par les scientifiques qui tentent de réaliser des ordinateurs quantiques. Ils ont ensuite visualisé directement l’exciton BEC dans l’espace réel en utilisant l’imagerie par absorption induite dans l’infrarouge moyen, un type de microscopie utilisant la lumière dans le milieu de la gamme infrarouge. Cela a permis à l’équipe de prendre des mesures de précision, y compris la densité et la température des excitons, qui à leur tour leur ont permis de marquer les différences et les similitudes entre l’exciton BEC et le BEC atomique régulier.

La prochaine étape du groupe consistera à étudier la dynamique de la formation de l’exciton BEC dans le semi-conducteur massif et à étudier les excitations collectives des excitons BEC. Leur objectif ultime est de construire une plate-forme basée sur un système de BEC d’excitons, pour élucider davantage ses propriétés quantiques, et développer une meilleure compréhension de la mécanique quantique des qubits fortement couplés à leur environnement.

Financement:

Cette recherche a été soutenue par MEXT, JSPS KAKENHI (Grant Nos. JP20104002, JP26247049, JP25707024, JP15H06131, JP17H06205); par le Photon Frontier Network Program, Quantum Leap Flagship Program (Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246 of MEXT ; et par JSPS par le biais de son programme FIRST.