Erstes Bose-Einstein-Kondensat aus Excitonen

Endlich geschafft: Physikern ist es erstmals gelungen, auch Quasiteilchen in ein Bose-Einstein-Kondensat zu bringen – einen exotischen Zustand, in dem sich alle Teilchen wie ein einziges „Superatom“ verhalten. Das Experiment weist damit nach, dass dies auch bei ultrakalten Excitonen, Quasiteilchen aus Elektronen und positiv geladenen „Löchern“, funktioniert. Dies klärt eine seit Jahrzehnten offene Frage und eröffnet neue Möglichkeiten auch für Quantentechnologien.

Bose-Einstein-Kondensate gelten oft als „fünfter“ Zustand der Materie – neben Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Plasmen. Sie entstehen, wenn Teilchen fast bis auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. Die Atome nehmen dann alle denselben Quantenzustand ein und verhalten sich wie eine einzige Materiewelle oder ein einziges „Superatom“. Solche Kondensate haben Wissenschaftler bereits im Weltraum und im freien Fall erzeugt – Basis dieser exotischen Zustände bildeten ultrakalte Atome.

Geht das auch mit Quasiteilchen?

Unklar war aber bisher, ob auch Quasiteilchen wie die Excitonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat werden können. Diese Gebilde entstehen in einem Halbleiter, wenn Elektronen ihre ursprüngliche Position verlassen und dort ein positiv geladenes Loch zurückbleibt. Weil Elektron und Loch physikalisch aneinander gekoppelt bleiben, können sie sich wie ein Teilchen verhalten. Ist der Spin von Elektron und Loch dabei gleich, sprechend Physiker von „hellen“ oder Orthoexcitonen. Bei entgegengesetzten Spins sind es die etwas langlebigeren „dunklen“ oder Paraexcitonen.

„Die direkte Beobachtung eines Excitonen-Kondensats in einem Halbleiter wird schon seit langem versucht – seit dies 1962 theoretisch vorhergesagt wurde“, erklärt Seniorautor Makoto Kuwata-Gonokami von der Universität Tokio. „Niemand wusste, ob Quasiteilchen auch ein Bose-Einstein-Kondensat bilden können. Es war eine Art heiliger Gral der Tieftemperatur-Physik.“

Auffällige Signale zeigen Kondensat an

Für ihr Experiment nutzten die Physiker Kupferoxid (Cu₂O) als Halbleiter und erzeugten in ihm durch mechanischen Stress und Laserbestrahlung in einer Art Falle gefangene Paraexcitonen. Mithilfe eines Verdünnungskryostats kühlten sie das Ganze bis auf weniger als 100 Millikelvin ab – Bruchteile über dem absoluten Nullpunkt. Theoretisch müsste unter solchen Bedingungen ein Bose-Einstein-Kondensat entstehen. Ob dies der Fall war, prüften das Team mit einer speziellen Infrarot-Absorptionsmessung. Diese ist besonders dazu geeignet, auch die „dunklen“ Excitonen sichtbar zu machen.

Und tatsächlich: Im Zentrum der Probe wiesen Kuwata-Gonokami und sein Team eine dichte Wolke auffälliger Absorptionssignale nach. Aus der Dichte und Energie dieser Signatur schließen sie, dass die Quasiteilchen in einen exotischen Quantenzustand übergegangen sein müssen: „Die Charakterisierung dieser Messwerte spricht stark dafür, dass hier ein Bose-Einstein-Kondensat aus Excitonen entstanden ist“, berichten die Forscher.

Theorie nach 60 Jahren bestätigt

Nach 60 Jahren könnten die Physiker damit bewiesen haben, dass auch Excitonen Bose-Einstein-Kondensate bilden können, wie es die Theorie von 1962 vorhergesagt hat. Ihre Analysen legen allerdings nahe, dass nur ein kleiner Teil dieser Quasiteilchen in den Kondensat-Zustand wechselte – rund 100-mal weniger als bei Kondensaten aus Atomen. Auch wie genau die Bildung des Bose-Einstein-Kondensats bei den Excitonen genau abläuft, muss nun noch näher untersucht werden.

„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“, konstatiert das Team. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-33103-4)

Quelle: University of Tokyo