La condensación de Bose-Einstein puede ocurrir en cuasipartículas , partículas que son descripciones efectivas de excitaciones colectivas en materiales. Algunos 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 sigue siendo un campo de estudio activo.
Propiedades
Las BEC se forman cuando las bajas temperaturas hacen que casi todas las partículas ocupen el estado cuántico más bajo. La condensación de las cuasipartículas se produce en gases y materiales ultrafríos. Las masas más bajas de cuasipartículas de material en relación con los átomos conducen a temperaturas BEC más altas. Un gas Bose ideal tiene transiciones de fase cuando el espaciado entre partículas se acerca a la longitud de onda térmica de De-Broglie:. La concentración crítica es entonces, que conduce a una temperatura crítica: . Las partículas obedecen a la distribución de Bose-Einstein y todas ocupan el estado fundamental:
El gas Bose se puede considerar en una trampa armónica, , con la fracción de ocupación del estado fundamental en función de la temperatura:
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 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 observó 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 cuasi partículas; Es un gas de electrones 2D, similar a otras películas delgadas. [1] [2]
Excitaciones
Los excitones son pares de electrones y huecos. Similar a la superfluidez del helio-4 [3] en el-punto (2,17 K); [4] [5] un condensado fue propuesto por Böer et al. en 1961. [6] Se predijeron fenómenos experimentales que llevaron a varias búsquedas con láser pulsado que no produjeron pruebas. 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 es ampliada por fonones, en el superfluido la absorción degenera en una línea.
Teoría
Los excitones son el resultado de los fotones que excitan a los electrones y crean agujeros, que luego son atraídos y pueden formar estados ligados. Los 1s paraexciton y ortoexciton son posibles. El estado de espín triplete de 1s, 12,1 meV por debajo de los estados de ortoexcitón degenerado (vida útil ~ ns), está desacoplado y tiene una vida útil prolongada hasta la desintegración óptica. Las densidades de gas diluido (n ~ 10 14 cm −3 ) son posibles, pero la generación de paraexcición escala mal, por lo que se produce un calentamiento significativo al crear densidades altas (10 17 cm −3 ) que previenen las BEC. Suponiendo que ocurre una fase termodinámica cuando la separación alcanza la longitud de onda de De Broglie () da:
| () |
Dónde, es la densidad de excitones, masa efectiva (de orden de masa de electrones) , y ,son las constantes de Planck y Boltzmann. La densidad depende de la generación óptica. y de por vida como: . Los láseres sintonizados crean excitones que se autoaniquilan de manera eficiente a un ritmo:, previniendo un BEC paraexciton de alta densidad. [7] Un pozo potencial limita la difusión, amortigua la descomposición del excitón y reduce el número crítico, produciendo una temperatura crítica mejorada en comparación con la escala T 3/2 de partículas libres:
Experimentos
En un cristal de Cu 2 O ultrapuro := 10 s. Para una T = 0.01K alcanzable, una tasa de bombeo óptico manejable de 10 5 / s debería producir un condensado. [8] Cálculos más detallados por J. Keldysh [9] y más tarde por D. Snoke et al. [10] inició una gran cantidad de búsquedas experimentales en la década de 1990 que no lograron detectar signos. [11] [12] [13] Los métodos de pulso producían sobrecalentamiento, evitando estados de condensación. El enfriamiento por helio permite configuraciones miili-kelvin y la óptica de onda continua mejora en búsquedas pulsadas. Yoshioka et al. Observaron la explosión de relajación de un condensado a una temperatura de rejilla de 354 mK. en 2011. [14] Experimentos recientes de Stolz et al. el uso de una trampa potencial ha dado 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 una torsión que indica condensación. La teoría de un gas de Bose se extiende a un gas de interacción de campo medio mediante un enfoque de Bogoliubov para predecir el espectro de excitones; La torcedura se considera un signo de transición a BEC. Se observaron signos de un gas denso BEC en un pozo cuántico de GaAs. [15]
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 ordenamiento 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 condensación en Tl Cu Cl 3 antiferromagnético , [16] a temperaturas de hasta 14 K. La alta temperatura de transición (relativa a los gases atómicos) se debe a la pequeña masa (cerca de un electrón) y la mayor densidad. En 2006, se observó condensación en una fina película ferromagnética de itrio-hierro-granate incluso a temperatura ambiente [17] [18] con bombeo óptico. La condensación se informó en gadolinio en 2011. [19] Magnon BEC se ha considerado como qubits para la computación cuántica . [20]
Polaritones
Los polaritones , causados por el acoplamiento de luz a los excitones, ocurren en cavidades ópticas y la condensación de excitones-polaritones en una microcavidad óptica se publicó por primera vez en Nature en 2006. [21] Los gases polaritones de la cavidad semiconductora pasan a la ocupación del estado fundamental a 19K. [21] Se observaron excitaciones de Bogoliubov 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 el superfluido 4 Introducidos 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 rotón. Los fonones se observaron por primera vez en un condensado en 2004 mediante pulsos ultracortos en un cristal de bismuto a 7K. [32]
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Ver también
- Condensación de polaritones de Bose-Einstein
- Condensado de Bose-Einstein
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