Condensación de cuasipartículas de Bose-Einstein

Ocurrencia en excitaciones colectivas.

La condensación de Bose-Einstein puede ocurrir en cuasipartículas , partículas que son descripciones efectivas de excitaciones colectivas en materiales. Algunas tienen espines enteros y se puede esperar que obedezcan a las estadísticas de Bose-Einstein como las partículas tradicionales. Se han predicho y observado las condiciones de condensación de diversas cuasipartículas. El tema sigue siendo un campo de estudio activo.

Propiedades

Los BEC se forman cuando las bajas temperaturas hacen que casi todas las partículas ocupen el estado cuántico más bajo. La condensación de cuasipartículas se produce en gases y materiales ultrafríos. Las masas más bajas de cuasipartículas materiales en relación con los átomos conducen a temperaturas BEC más altas. Un gas Bose ideal tiene transiciones de fase cuando el espacio entre partículas se acerca a la longitud de onda térmica de De-Broglie: . La concentración crítica es entonces , lo que lleva a una temperatura crítica: . Las partículas obedecen a la distribución de Bose-Einstein y todas ocupan el estado fundamental: ${\displaystyle k_{B}T=~\hbar ^{2}n^{2/3}/M}$ ${\displaystyle N\propto (T/2\pi )^{3}u^{1/2}P/v\hbar ^{3}}$ ${\displaystyle T_{c}<32\pi ^{3}\hbar ^{6}V^{2}u_{0}P^{2}}$

El gas Bose se puede considerar en una trampa armónica, con la fracción de ocupación del estado fundamental en función de la temperatura: ${\displaystyle V(r)=M\omega ^{2}/2}$

${\displaystyle f(0)={\frac {N_{0}(t)}{N}}=1-\left({\frac {T}{T_{c}}}\right)^{3}}$

Esto se puede lograr mediante refrigeración y control magnético u óptico del sistema. La espectroscopia puede detectar cambios en los picos que indican fases termodinámicas con condensación. Las cuasipartículas BEC pueden ser superfluidos. Los signos de tales estados incluyen coherencia espacial y temporal y cambios de polarización. La observación de excitones en sólidos se realizó en 2005 y de magnones en materiales y polaritones en microcavidades en 2006. El grafeno es otro sistema de estado sólido importante para estudios de materia condensada, incluidas cuasipartículas; Es un gas de electrones 2D, similar a otras películas delgadas. ^{[1] [2]}

Excitones

Los excitones son pares electrón-hueco. Similar a la superfluidez del helio-4 ^[3] en el punto - (2,17 K); ^{[4] [5]} Böer et al. propusieron un condensado. en 1961. ^[6] Se predijeron fenómenos experimentales que llevaron a varias búsquedas con láser pulsado que no lograron producir evidencia. Los signos fueron vistos por primera vez por Fuzukawa et al. en 1990, pero la detección definitiva se publicó más tarde en la década de 2000. Los excitones condensados ​​son superfluidos y no interactúan con los fonones. Mientras que la absorción normal de excitones se amplía con los fonones, en el superfluido la absorción degenera en una línea. ${\displaystyle \lambda }$

Teoría

Los excitones resultan de fotones que excitan electrones creando agujeros, que luego son atraídos y pueden formar estados ligados. La paraexcitón y la ortoexcitón 1s son posibles. El estado de espín triplete 1s, 12,1 meV por debajo de los estados de ortoexcitón degenerados (vida útil ~ns), está desacoplado y tiene una larga vida útil hasta una desintegración óptica. Las densidades de gas diluidas (n~10 ¹⁴ cm ⁻³ ) son posibles, pero la generación de paraexcitones escala mal, por lo que se produce un calentamiento significativo al crear altas densidades (10 ¹⁷ cm ⁻³ ) que previenen los BEC. Suponiendo que se produce una fase termodinámica cuando la separación alcanza la longitud de onda de De Broglie ( ), se obtiene: ${\displaystyle \lambda _{dB}}$

Donde, es la densidad de excitones, la masa efectiva (del orden de masa de los electrones) y son las constantes de Planck y Boltzmann. La densidad depende de la generación óptica y la vida útil como: . Los láseres sintonizados crean excitones que se autoaniquilan eficientemente a un ritmo: , evitando un BEC paraexcitón de alta densidad. ^[7] Un pozo potencial limita la difusión, amortigua la descomposición de los excitones y reduce el número crítico, lo que produce una temperatura crítica mejorada en comparación con el escalamiento T ^3/2 de partículas libres: ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle m_{\text{eff}}}$ ${\displaystyle \hbar }$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle n=g\tau }$ ${\displaystyle dn/dt=-an^{2}}$

${\displaystyle N_{c}=\zeta (3)\left({\frac {kT}{\hbar \omega }}\right)^{3}}$

experimentos

En un cristal de Cu ₂ O ultrapuro: = 10s. Para alcanzar una T = 0,01 K, una tasa de bombeo óptico manejable de 10 ⁵ /s debería producir un condensado. ^[8] Cálculos más detallados de J. Keldysh ^[9] y posteriormente de D. Snoke et al. ^[10] iniciaron una gran cantidad de búsquedas experimentales en la década de 1990 que no lograron detectar signos. ^{[11] [12] [13]} Los métodos de pulso provocaron sobrecalentamiento, evitando estados de condensación. El enfriamiento con helio permite configuraciones mili-kelvin y la óptica de onda continua mejora las búsquedas pulsadas. Yoshioka et al. observaron la explosión de relajación de un condensado a una temperatura de red de 354 mK. en 2011. ^[14] Experimentos recientes de Stolz et al. El uso de una trampa potencial ha proporcionado más evidencia a una temperatura ultrabaja de 37 mK. ^[7] En una trampa parabólica con una temperatura de excitón de 200 mK y una vida útil ampliada a 650 ns, la dependencia de la luminiscencia de la intensidad del láser tiene un punto que indica condensación. La teoría de un gas de Bose se extiende a un gas que interactúa con un campo medio mediante un enfoque de Bogoliubov para predecir el espectro de excitones; La torcedura se considera una señal de transición a BEC. Se observaron señales de un BEC de gas denso en un pozo cuántico de GaAs. ^[15] ${\displaystyle \tau }$

magnones

Los magnones , ondas de espín de electrones, pueden controlarse mediante un campo magnético. Son posibles densidades desde el límite de un gas diluido hasta un líquido Bose que interactúa fuertemente. El orden magnético es análogo a la superfluidez. El condensado aparece como la emisión de microondas monocromáticas, que son sintonizables con el campo magnético aplicado.

En 1999 se demostró la condensación en el Tl Cu Cl ₃ antiferromagnético , ^[16] a temperaturas de hasta 14 K. La alta temperatura de transición (en relación con los gases atómicos) se debe a la pequeña masa (cerca de un electrón) y a la mayor densidad. En 2006, se observó condensación en una fina película ferromagnética de itrio, hierro y granate incluso a temperatura ambiente ^{[17] [18]} con bombeo óptico. Se informó sobre condensación en gadolinio en 2011. ^[19] Los BEC de Magnon se han considerado qubits para la computación cuántica . ^[20]

polaritones

Los polaritones , causados ​​por el acoplamiento de la luz a los excitones, se producen en las cavidades ópticas y la condensación de excitones-polaritones en una microcavidad óptica se publicó por primera vez en Nature en 2006. ^[21] Los gases de polaritones de la cavidad semiconductora pasan a la ocupación del estado fundamental a 19K. ^[21] Se observaron excitaciones de Bogoliubov en BEC de polariton en 2008. ^[22] Las firmas de BEC se observaron a temperatura ambiente por primera vez en 2013, en un dispositivo semiconductor de energía de excitón grande ^{[23] [24]} y en una microcavidad de polímero. ^[25]

Otras cuasipartículas

Los rotores , una excitación elemental en superfluidos ⁴ que introdujo Landau, ^[26] fueron discutidos por Feynman ^[27] y otros. ^[28] Los rotores se condensan a baja temperatura. Se han propuesto experimentos y se ha estudiado el espectro esperado, ^{[29] [30] [31]} pero no se han detectado condensados ​​de roton. Los fonones se observaron por primera vez en un condensado en 2004 mediante pulsos ultracortos en un cristal de bismuto a 7K. ^[32]

Ver también

• Condensado de Bose-Einstein
• Condensación de polaritones de Bose-Einstein

Publicaciones importantes

• Ando, ​​Tsuneya; Fowler, Alan B.; Stern, Frank (1 de marzo de 1982). "Propiedades electrónicas de sistemas bidimensionales". Reseñas de Física Moderna . 54 (2). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 437–672. Código bibliográfico : 1982RvMP...54..437A. doi :10.1103/revmodphys.54.437. ISSN  0034-6861.
• Dalfovo, Franco; Giorgini, Stefano; Pitaevskii, Lev P.; Stringari, Sandro (1 de marzo de 1999). "Teoría de la condensación de Bose-Einstein en gases atrapados". Reseñas de Física Moderna . 71 (3). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 463–512. arXiv : cond-mat/9806038 . Código Bib : 1999RvMP...71..463D. doi :10.1103/revmodphys.71.463. ISSN  0034-6861. S2CID  55787701.
• Bloch, Emmanuel; Dalibard, Jean; Zwerger, Wilhelm (18 de julio de 2008). "Física de muchos cuerpos con gases ultrafríos". Reseñas de Física Moderna . 80 (3): 885–964. arXiv : 0704.3011 . Código Bib : 2008RvMP...80..885B. doi : 10.1103/revmodphys.80.885. ISSN  0034-6861. S2CID  119618473.
• Bugrij, AI; Loktev, VM (2007). "Sobre la teoría de la condensación de cuasipartículas de Bose-Einstein: sobre la posibilidad de condensación de ferromagnones a altas temperaturas". Física de Bajas Temperaturas . 33 (1). Publicación AIP: 37–50. Código Bib : 2007LTP....33...37B. doi : 10.1063/1.2409633. ISSN  1063-777X. S2CID  119340633.
• Butov, LV; Lai, CW; Ivanov, AL; Gossard, AC; Chemla, DS (2002). "Hacia la condensación Bose-Einstein de excitones en trampas potenciales". Naturaleza . 417 (6884). Naturaleza Springer: 47–52. Código Bib :2002Natur.417...47B. doi :10.1038/417047a. ISSN  0028-0836. PMID  11986661. S2CID  4373555.

Referencias

1. Eisenstein, JP; Macdonald, AH (9 de diciembre de 2004). "Condensación de excitones de Bose-Einstein en sistemas de electrones bicapa". Naturaleza . 432 (7018): 691–694. arXiv : cond-mat/0404113 . Código Bib :2004Natur.432..691E. doi : 10.1038/naturaleza03081. PMID  15592403. S2CID  1538354.
2. Berman, OL; Kezerashvili, RY; Lozovik, YE; Snoke, DW (1 de noviembre de 2010). "Condensación de Bose-Einstein y superfluidez de polaritones atrapados en grafeno y pozos cuánticos incrustados en una microcavidad". Transacciones filosóficas de la Royal Society A. 368 (1932): 5459–82. Código Bib : 2010RSPTA.368.5459B. doi :10.1098/rsta.2010.0208. PMID  21041225.
3. Londres, F (1938). "El punto del helio líquido y la condensación de Bose-Einstein". Naturaleza . 141 (3571): 643–644. Código Bib :1938Natur.141..643L. doi :10.1038/141643a0. S2CID  4143290. ${\displaystyle \lambda }$
4. Einstein, A. (1920) Proc. Academia de Berlín. Ciencia
5. Kapiza, P (1938). "Viscosidad del helio líquido por debajo del punto λ". Naturaleza . 141 (3558): 74. Bibcode : 1938Natur.141...74K. doi : 10.1038/141074a0 .
6. Blatt, JM, KW Boer y W. Brandt, (1962) Condensación de excitones de Bose-Einstein, Phys. Rev. 126.5 , 1691
7. Heinrich Stolz; et al. (2012). "Condensación de excitones en Cu2O a temperaturas ultrafrías: experimento y teoría". Nueva Revista de Física . 14 (10): 105007. arXiv : 1206.7029 . Código Bib : 2012NJPh...14j5007S. doi :10.1088/1367-2630/14/10/105007. S2CID  118415141.
8. Aurora, CP (2001) Termodinámica, McGraw-Hill
9. Keldysh, LV (1965). "Técnica de diagrama para procesos de desequilibrio" (PDF) . soviético. Física. JETP . 20 : 1018.
10. Snoke, DW ; Wolfe, JP; Mysyrovicz, A. (1990). "Evidencia de la condensación de excitones en Cu2O de Bose-Einstein". Física. Rev. B. 41 (16): 11171–11184. Código bibliográfico : 1990PhRvB..4111171S. doi : 10.1103/physrevb.41.11171. PMID  9993538.
11. Naka, N.; Nagasawa, N. (2005). "Estimulación bosónica de excitones fríos en una trampa de potencial armónico en CuO". Revista de Luminiscencia . 112 (1–4): 11–16. Código Bib : 2005JLum..112...11N. doi :10.1016/j.jlumin.2004.09.035.
12. Joshioka, K.; Ideguchi, T.; Mysyrovicz, A; Kuwata-Gonokami, M. (2010). "Colisiones cuánticas inelásticas entre paraexcitones en Cu2O". Física. Rev. B. 82 (4): 041201. Código bibliográfico : 2010PhRvB..82d1201Y. doi : 10.1103/physrevb.82.041201.
13. Stolz, H.; Semkat, D. (2010). "Firmas únicas para la condensación de Bose-Einstein en la forma de línea de luminiscencia de desintegración de excitones que interactúan débilmente en una trampa potencial". Física. Rev. B. 81 (8): 081302. arXiv : 0912.2010 . Código Bib : 2010PhRvB..81h1302S. doi : 10.1103/physrevb.81.081302. S2CID  119242758.
14. Yoshioka, Kosuke; Chae, Eunmi; Kuwata-Gonokami, Makoto (31 de mayo de 2011). "Transición a un condensado de Bose-Einstein y explosión de relajación de excitones a temperaturas sub-Kelvin". Comunicaciones de la naturaleza . 2 (328): 328–. arXiv : 1008.2431 . Código Bib : 2011NatCo...2..328Y. doi : 10.1038/ncomms1335. PMC 3113234 . S2CID  16493054. 
15. Asignar, Mathieu; Beian, Mussie; Lewenstein, Maciej; Fuster, David; González, Yolanda; González, Luisa; Combescot, Roland; Combescot, Monique; Dubin, François (julio de 2014). "Evidencia de un condensado de excitones de Bose-Einstein". EPL . 107 (1): 10012. arXiv : 1304.4101 . Código Bib : 2014EL....10710012A. CiteSeerX 10.1.1.771.3531 . doi :10.1209/0295-5075/107/10012. S2CID  119194298. 
16. Nikuni, T.; Oshikawa, M.; Oosawa, A.; Tanaka, H. (1999). "Condensación de Bose-Einstein de magnones diluidos en TlCuCl ₃ ". Cartas de revisión física . 84 (25): 5868–71. arXiv : cond-mat/9908118 . Código Bib : 2000PhRvL..84.5868N. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5868. PMID  10991075. S2CID  1500529.
17. Demokritov, SO; Demidov, VE; Dzyapko, O; Melkov, GA; Serga, AA; Hillebrands, B; Slavin, AN (2006). "Condensación de Bose-Einstein de magnones de cuasi equilibrio a temperatura ambiente bajo bombeo". Naturaleza . 443 (7110): 430–433. Código Bib :2006Natur.443..430D. doi : 10.1038/naturaleza05117. PMID  17006509. S2CID  4421089.
18. Condensación Magnon Bose Einstein simplificada. Sitio web de la "Westfählische Wilhelms Universität Münster" Prof.Demokritov. Consultado el 25 de junio de 2012.
19. Mateo, SP; Kaul, SN (6 de julio de 2011). "Condensación de Bose-Einstein de magnones en gadolinio policristalino con granos de tamaño nanométrico". J Phys Condens Materia . 23 (26): 266003. Código bibliográfico : 2011JPCM...23z6003M. doi :10.1088/0953-8984/23/26/266003. PMID  21673396. S2CID  23487383.
20. Andrianov, SN; Moiseev, SA (2 de octubre de 2014). "Magnon qubit y computación cuántica en condensados ​​de magnon Bose-Einstein". Física. Rev. A. 90 (4): 042303. Código bibliográfico : 2014PhRvA..90d2303A. doi :10.1103/PhysRevA.90.042303.
21. Kasprzak, J; Ricardo, M; Kundermann, S; Baas, A; Jeambrun, P; Keeling, JM; Marchetti, FM; Szymanska, MH; André, R; Staehli, JL; Savona, V; Littlewood, PB; Deveaud, B; Dang (28 de septiembre de 2006). "Condensación de Bose-Einstein de polaritones de excitón". Naturaleza . 443 (7110): 409–414. Código Bib :2006Natur.443..409K. doi : 10.1038/naturaleza05131. PMID  17006506. S2CID  854066.
22. Utsunomiya, S; Tian, ​​L; Roumpos, G; Lai, CW; Kumada, N; Fujisawa, T; Kuwata-Gonokami, M; Löffler, A; Höfling, S; Forchel, A; Yamamoto, Y (2008). "Observación de excitaciones de Bogoliubov en condensados ​​de excitón-polaritón". Física de la Naturaleza . 4 (9): 700–705. Código bibliográfico : 2008NatPh...4..673U. doi : 10.1038/nphys1034 .
23. Das, A; Bhattacharya, P; Heo, J; Banerjee, A; Guo, W (19 de febrero de 2013). "Condensado de Polariton Bose-Einstein a temperatura ambiente en una microcavidad dieléctrica de nanocables de Al (Ga) N con una trampa de potencial espacial". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 110 (8): 2735–2740. arXiv : 1208.2723 . Código Bib : 2013PNAS..110.2735D. doi : 10.1073/pnas.1210842110 . PMC 3581885 . PMID  23382183. 
24. Francisco, Mateo (6 de febrero de 2013). "MÉTODO CIENTÍFICO / CIENCIA Y EXPLORACIÓN Condensado de Bose-Einstein creado a temperatura ambiente". Ars Técnica .
25. Plumhof, JD; Stöferle, T; Correo; Scherf, U; Mahrt, RF (8 de diciembre de 2013). "Condensación de Bose-Einstein a temperatura ambiente de excitones-polaritones de cavidad en un polímero". Materiales de la naturaleza . 13 (3): 247–252. Código Bib : 2014NatMa..13..247P. doi :10.1038/nmat3825. PMID  24317189.
26. L. Landau (1941). J. Física. URSS . 5 : 71. {{cite journal}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )
27. Feynman, RP (1954). "RP Feynman" (PDF) . Física. Rdo . 94 (2): 262–277. Código bibliográfico : 1954PhRv...94..262F. doi : 10.1103/PhysRev.94.262.
28. Iordanskiĭ, SV; Pitaevskiĭ, Lev P (1980). "Condensación de Bose de rotores en movimiento". Física soviética Uspekhi . 23 (6): 317–318. Código bibliográfico : 1980SvPhU..23..317I. doi :10.1070/PU1980v023n06ABEH004937.
29. LA Melnikovsky (22 de julio de 2011). "Condensación de rotones de Bose-Einstein". Física. Rev. B. 84 (2): 024525. arXiv : 1009.4114 . Código bibliográfico : 2011PhRvB..84b4525M. doi : 10.1103/PhysRevB.84.024525. S2CID  119032713.
30. Blakeie, PB; Baillie, D; Bisset, RN (15 de agosto de 2012). "Espectroscopia de rotores en un condensado dipolar de Bose-Einstein armónicamente atrapado". Física. Rev. A. 86 (2): 021604. arXiv : 1206.2770 . Código Bib : 2012PhRvA..86b1604B. doi : 10.1103/PhysRevA.86.021604. S2CID  119285430.
31. Galli, DE; Reatto, L; Rossi, M (2014). "Estudio Quantum Monte Carlo de un vórtice en He4 superfluido y búsqueda de un estado de vórtice en el sólido". Física. Rev. B. 89 (22): 224516. arXiv : 1405.7589 . Código Bib : 2014PhRvB..89v4516G. doi : 10.1103/PhysRevB.89.224516. S2CID  118837214.
32. Misochko, OV; Hase, Muneaki; Ishioka, K; Kitajima, M (16 de febrero de 2004). "Condensación transitoria de fonones de Bose-Einstein". Letras de Física A. 321 (5–6): 381–387. Código bibliográfico : 2004PhLA..321..381M. doi :10.1016/j.physleta.2003.11.063.