Condensación de Bose-Einstein de cuasipartículas

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 las estadísticas de Bose-Einstein como las partículas tradicionales. Se han predicho y observado las condiciones para la condensación de varias cuasipartículas. El tema continúa 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 ocurre en gases y materiales ultrafríos. Las masas más bajas de las cuasipartículas materiales en relación con los átomos conducen a temperaturas de BEC más altas. Un gas de Bose ideal tiene una transición de fase cuando el espaciamiento entre partículas se acerca a la longitud de onda térmica de De-Broglie: . La concentración crítica es entonces , lo que conduce 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 de Bose puede considerarse 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 enfriamiento y control magnético u óptico del sistema. La espectroscopia puede detectar cambios en los picos que indican fases termodinámicas con condensación. Los BEC de cuasipartículas pueden ser superfluidos. Los signos de tales estados incluyen coherencia espacial y temporal y cambios de polarización. La observación de excitones en sólidos se vio 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 las cuasipartículas; es un gas de electrones 2D, similar a otras películas delgadas. ^{[1] [2]}

Excitones

Los excitones son pares electrón-hueco. Similares 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 produjeron evidencia. Fuzukawa et al. vieron por primera vez señales en 1990, pero la detección definitiva se publicó más tarde en la década de 2000. Los excitones condensados ​​son un superfluido y no interactuarán con los fonones. Mientras que la absorción normal del excitón se amplía por los fonones, en el superfluido la absorción degenera en una línea. ${\displaystyle \lambda }$

Teoría

Los excitones resultan de la excitación de electrones por fotones, creando huecos, que luego son atraídos y pueden formar estados ligados. Son posibles el paraexcitón y el ortoexcitón 1s. El estado de espín triplete 1s, 12,1 meV por debajo de los estados degenerados del ortoexcitón (vida útil ~ns), está desacoplado y tiene una vida útil larga hasta una desintegración óptica. Son posibles densidades de gas diluido (n~10 ¹⁴ cm ⁻³ ), pero la generación de paraexcitones escala mal, por lo que se produce un calentamiento significativo al crear densidades altas (10 ¹⁷ cm ⁻³ ) lo que evita 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, masa efectiva (del orden de la masa del electrón) , 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 una tasa: , evitando un BEC de paraexcitones de alta densidad. ^[7] Un pozo de potencial limita la difusión, amortigua la desintegración de excitones y reduce el número crítico, lo que produce una temperatura crítica mejorada frente a la escala 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 ultrapuro de Cu ₂ O: = 10 s. Para una T alcanzable = 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 más tarde de D. Snoke et al. ^[10] iniciaron una gran cantidad de búsquedas experimentales en la década de 1990 que no lograron detectar señales. ^{[11] [12] [13]} Los métodos de pulso llevaron al sobrecalentamiento, lo que impidió los estados de condensado. El enfriamiento con helio permite configuraciones de mili-kelvin y la óptica de onda continua mejora las búsquedas pulsadas. La explosión de relajación de un condensado a una temperatura de red de 354 mK fue observada por Yoshioka et al. en 2011. ^[14] Experimentos recientes de Stolz et al. utilizando una trampa de potencial han brindado 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 de inflexión que indica condensación. La teoría de un gas de Bose se extiende a un gas que interactúa con el campo medio mediante un enfoque de Bogoliubov para predecir el espectro de excitones; el punto de inflexión se considera un signo de transición al BEC. Se observaron signos 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 de Bose con fuerte interacción. El ordenamiento magnético es el análogo de la superfluidez. El condensado aparece como la emisión de microondas monocromáticas, que se pueden sintonizar con el campo magnético aplicado.

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

Polaritones

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

Otras cuasipartículas

Los rotones , una excitación elemental en superfluidos ⁴ He introducida por Landau, ^[26] fueron discutidos por Feynman ^[27] y otros. ^[28] Los rotones 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 rotones. Los fonones se observaron por primera vez en un condensado en 2004 mediante pulsos ultracortos en un cristal de bismuto a 7K. ^[32]

Véase también

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

Publicaciones importantes

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Referencias

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