该装置在无冷冻剂稀释冰箱中的特写照片。图片中央的暗红色立方晶体是氧化亚铜。放置在晶体后面的硒化锌弯月透镜是物镜。晶体下方的棒和平台用于在晶体中产生不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。图片来源：东京大学 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
物理学家创造了第一个玻色-爱因斯坦凝聚体——物质的神秘第五态——由准粒子构成，这些实体不被视为基本粒子，但仍具有电荷和自旋等基本粒子特性。几十年来，不知道它们是否可以像真实粒子一样经历玻色-爱因斯坦凝聚，现在看来它们可以。这一发现将对包括量子计算在内的量子技术的发展产生重大影响。
一篇描述这种物质产生过程的论文发表在《自然通讯》杂志上。
玻色-爱因斯坦凝聚有时被描述为物质的第五种状态，与固体、液体、气体和等离子体并列。从理论上预测，在 20 世纪初，玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 直到 1995 年才在实验室中创造出来。它们也可能是最奇怪的物质状态，其中很多关于它们的知识仍然未知。
当一组原子冷却到绝对零以上十亿分之一度以内时，就会发生 BEC。研究人员通常使用激光和磁阱来稳定地降低通常由铷原子组成的气体的温度。在这个超冷的温度下，原子几乎没有移动并开始表现出非常奇怪的行为。
它们经历相同的量子态——几乎就像激光中的相干光子——并开始聚集在一起，占据与一个无法区分的超级原子相同的体积。原子的集合本质上表现为单个粒子。
目前，BEC 仍然是许多基础研究的主题，用于模拟凝聚态系统，但原则上，它们在量子信息处理中具有应用。量子计算仍处于早期发展阶段，它利用了许多不同的系统。但它们都依赖于处于相同量子态的量子比特或量子比特。
将氧化亚铜晶体(红色立方体)放置在稀释冰箱中心的样品台上。研究人员在冰箱的防护罩上安装了窗户，可以从四个方向对样品台进行光学访问。两个方向上的窗口允许激发光(橙色实线)和来自可见区域中副激子的发光(黄色实线)的透射。其他两个方向上的窗口允许探测光(蓝色实线)透射，用于诱导吸收成像。为了减少传入的热量，研究人员通过最小化数值孔径和使用特定的窗户材料精心设计了窗户。这种专门的窗户设计和无冷冻剂稀释冰箱的高冷却能力有助于实现 64 毫开尔文的最低基础温度。图片来源：东京大学 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
大多数 BEC 是由普通原子的稀释气体制成的。但直到现在，从未实现过由奇异原子制成的 BEC。
外来原子是其中一个亚原子粒子(例如电子或质子)被另一个具有相同电荷的亚原子粒子取代的原子。例如，正电子是由电子及其带正电的反粒子正电子组成的奇异原子。
激子是另一个这样的例子。当光撞击半导体时，能量足以激发电子从原子的价能级跃升至其传导能级。然后这些激发的电子在电流中自由流动——本质上是将光能转化为电能。当带负电的电子进行这种跳跃时，留下的空间或空穴可以被视为带正电的粒子。负电子和正空穴被吸引并因此结合在一起。
结合起来，这个电子-空穴对是一种称为激子的电中性准粒子。准粒子是一种类似粒子的实体，它不属于粒子物理学标准模型的 17 个基本粒子之一，但它仍然可以具有电荷和自旋等基本粒子特性。激子准粒子也可以被描述为奇异原子，因为它实际上是一个氢原子，其单个正质子已被单个正空穴取代。
激子有两种形式：正激子，其中电子的自旋与其空穴的自旋平行，以及副激子，其中电子自旋与其空穴的自旋反平行(平行但方向相反)。
电子空穴系统已被用于产生其他相的物质，例如电子空穴等离子体甚至激子液滴。研究人员想看看他们是否可以用激子制造 BEC。
研究人员使用样品下方的透镜组(红色立方体)施加了不均匀的应力。不均匀的应力导致不均匀的应变场，作为激子的陷阱势。激发光束(橙色实线)聚焦在样品中陷阱电位的底部。一个激子(黄色球体)由一个电子(蓝色球体)和一个空穴(红色球体)组成。该团队通过发光(黄色阴影)或探测光的差分传输(蓝色阴影)检测到激子。设置在样品后面的物镜收集来自激子的发光。探测光束也通过物镜传播。图片来源：东京大学 Yusuke Morita、Kosuke Yoshioka 和 Makoto Kuwata-Gonokami
“自 1962 年首次在理论上提出以来，对三维半导体中激子凝聚体的直接观察一直备受追捧。没有人知道准粒子是否可以像真实粒子一样经历玻色-爱因斯坦凝聚，”桑田诚说。 Gonokami 是东京大学的物理学家，也是该论文的合著者。“这是低温物理学的圣杯。”
研究人员认为，在氧化亚铜 (Cu 2 O)(一种铜和氧的化合物)中产生的类氢副激子是在块状半导体中制造激子 BEC 的最有希望的候选者之一，因为它们的寿命很长。在 1990 年代曾尝试在 2 K 左右的液氦温度下产生副激子 BEC，但失败了，因为为了从激子中产生 BEC，需要的温度远低于此温度。
正激子无法达到如此低的温度，因为它们的寿命太短。然而，实验上众所周知，副激子具有超过数百纳秒的极长寿命，足以将它们冷却到所需的 BEC 温度。
该团队设法使用稀释制冷机在 400 毫开尔文以下的大量 Cu 2 O 中捕获副激子，这是一种通过将氦的两种同位素混合在一起来冷却的低温装置，科学家们通常使用这种装置来实现量子计算机。
然后，他们通过使用中红外诱导吸收成像(一种利用红外范围中间光的显微镜)直接在真实空间中可视化激子 BEC。这使团队能够进行精确测量，包括激子的密度和温度，从而使他们能够标出激子 BEC 和常规原子 BEC 之间的差异和相似之处。
该小组的下一步将是研究激子 BEC 如何在体半导体中形成的动力学，并研究激子 BEC 的集体激发。他们的最终目标是建立一个基于激子 BEC 系统的平台，以进一步阐明其量子特性，并更好地理解与其环境强耦合的量子比特的量子力学。
