นักฟิสิกส์สร้างควอนตัม "Fifth State" ที่ลึกลับได้แล้ว!

นักฟิสิกส์สร้าง Quasiparticle Bose-Einstein Condensate เป็นครั้งแรก นั่นคือ "Fifth State" of Matter ที่ลึกลับ ('สถานะที่ห้า' ของสสารลึกลับ) 

 ซึ่งทำจากอนุภาคควอซิพีลาร์ แต่....เอนทิตีเหล่านี้ไม่ถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐาน แม้ว่าจะยังคงมีคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานได้ เช่น ประจุไฟฟ้าและสปินก็ตาม  

 เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ไม่ทราบแน่ชัดว่า quasiparticles สามารถรับการควบแน่นของ Bose-Einstein ได้เหมือนอนุภาคจริงๆหรือไม่ 

และตอนนี้ดูเหมือนว่าจะทำได้ การค้นพบนี้จะมีนัยสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัม รวมถึงควอนตัมคอมพิวติ้ง 

บทความที่อธิบายถึงการผลิตสารซึ่งตีพิมพ์เมื่อเร็วๆนี้ในวารสาร Nature Communications ว่าเราสามารถทำได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย 

 บางครั้งคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์(Bose-Einstein Condensate)ถูกอธิบายว่าเป็นสถานะที่ห้าของสสารคาดการณ์ในทางทฤษฎีในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ว่ามัน ควบคู่ไปกับของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา แต่ Bose-Einstein condensates หรือ BECs (จริง)ก็ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการจนกระทั่งปี 1995 

พฤติกรรมของพวกมันอาจเป็นสถานะที่แปลกประหลาดที่สุดของสสาร และยังมีเรื่องราวมากมายเล่าขานเกี่ยวกับพวกมันในชุมชนวิทยาศาสตร์ 

 ภาพระยะใกล้ของเครื่องมือในตู้เย็นแบบเจือจางที่ปราศจากสารทำความเย็นหรือแบบแห้ง ที่มีการระบายความร้อนล่วงหน้าด้วยตู้เย็นแบบหลอดพัลส์แบบสองขั้นตอน เมื่อกลุ่มของอะตอมถูกทำให้เย็น เราได้พบ ลูกบาศก์คริสตัลสีแดงเข้มตรงกลางภาพนั่นคือ คิวรัสออกไซด์ 

เลนส์วงเดือนสังกะสีเซเลไนด์ที่วางอยู่ด้านหลังคริสตัลคือ เป้าประสงค์ที่ต้องการ แท่งและตาราง ด้านล่างผลึกถูกใช้เพื่อสร้างสนามความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอในผลึก ซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักที่มีศักยภาพสำหรับ excitons 

 BECs เกิดขึ้นเมื่อกลุ่มของอะตอมถูกทำให้เย็นลงถึงหนึ่งในพันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ โดยทั่วไปแล้ว นักวิจัยจะใช้เลเซอร์และ "กับดักแม่เหล็ก" เพื่อลดอุณหภูมิของก๊าซลงเรื่อยๆ

ซึ่งโดยปกติจะประกอบด้วยอะตอมของรูบิเดียม ที่อุณหภูมิเย็นจัดเช่นนี้อะตอมแทบไม่เคลื่อนที่และเริ่มทำตัวแปลกไป(มาก) พวกมันผ่านสถานะควอนตัมเดียวกัน 

 เกือบจะเหมือนโฟตอนที่เชื่อมโยงกันในเลเซอร์ และเริ่มเกาะกลุ่มกันเป็นก้อน มีปริมาตรเท่ากับ "ซุปเปอร์อะตอม" ที่แยกไม่ออกเป็นกลุ่มของก้อนอะตอมมีพฤติกรรมเป็นอนุภาคเดียว 

ปัจจุบัน BEC ยังคงเป็นหัวข้อของการวิจัยพื้นฐานจำนวนมาก และถูกใช้เพื่อจำลองระบบสสารควบแน่น

แต่โดยหลักการแล้ว BECs ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัม และขณะนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา เพื่อนำไปใช้ระบบต่างๆ มากมาย 

 แต่พวกมันทั้งหมดอาศัยควอนตัมบิต หรือ คิวบิต ซึ่งอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน BEC ส่วนใหญ่ทำจากก๊าซบางๆ ของอะตอมธรรมดา 

แต่จนถึงขณะนี้เราพบ BECs ที่ทำจากอะตอมที่แปลกใหม่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน 

เช่น เฮเทอโรอะตอม คืออะตอมที่อนุภาคย่อยของอะตอม เป็นอิเล็กตรอนหรือโปรตอน ที่ถูกแทนที่ด้วยอนุภาคย่อยของอะตอมอีกอนุภาคที่มีประจุเดียวกัน 

ตัวอย่างเช่น โพซิตรอนเป็นอะตอมต่างชนิดกันที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและปฏิอนุภาคที่มีประจุบวก ซึ่งนั่นก็คือโพซิตรอน 

 กลับมาที่ ผลึก Cuprous oxide (Sample ก้อนสีแดง) ที่จะถูกวางไว้บนแท่นวางตัวอย่างตรงกลางตู้เย็นแบบเจือจาง นักวิจัยได้ติดตั้งหน้าต่างในฝาครอบป้องกันของตู้เย็นเพื่อให้แสงเข้าถึงระยะตัวอย่างได้สี่ทิศทาง หน้าต่างในทั้งสองทิศทางช่วยให้สามารถส่งแสงกระตุ้นในพื้นที่ที่มองเห็นได้ (เส้นทึบสีส้ม)และการเรืองแสงของ excitons ในระดับทุติยภูมิ (เส้นทึบสีเหลือง)หน้าต่างในสองทิศทางเพิ่มเติมช่วยให้สามารถถ่ายภาพการดูดกลืนแสงด้วยแสงโพรบที่ส่งผ่านออกมา (เส้นทึบสีน้ำเงิน) 

 เพื่อลดความร้อนที่เข้ามา นักวิจัยได้ออกแบบหน้าต่างอย่างรอบคอบโดยการลดรูรับแสงโดยการคำนวน และใช้วัสดุหน้าต่างเฉพาะ

การออกแบบหน้าต่างแบบพิเศษนี้ และความสามารถในการทำความเย็น(สูง)ของตู้เย็นที่มีการเจือจางแบบไม่แช่แข็งช่วยให้อุณหภูมิฐานต่ำสุดอยู่ที่ 64 มิลลิเคลวิน เมื่อแสงตกกระทบสารกึ่งตัวนำ มันจะมีพลังมากพอที่จะ "กระตุ้น" อิเล็กตรอน ทำให้มันกระโดดจากชั้น วาเลนซ์ของอะตอมไปยังชั้นการนำไฟฟ้า 

 จากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้จะไหลอย่างอิสระในกระแสไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วจะมันเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระโดด ช่องว่างที่เหลือหรือ "รู (ช่องว่าง,โฮล)" อาจถูกมองว่าไม่เป็นมิตรกับอนุภาคที่มีประจุบวก (คือเป็นบวกด้วยกันน่ะแหละ)ทำให้ อิเลคตรอนประจุลบและประจุบวกจะถูกดึงดูดให้มารวมกัน เมื่อรวมกันแล้ว คู่อิเล็กตรอน และช่องว่าง(โฮล)นี้เป็น "quasiparticle" ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า 

เรียกว่า excitons quasiparticle เป็นเอนทิตีที่เหมือนอนุภาค ซึ่งไม่ใช่1ใน 17 อนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค 

แต่ยังคงมีคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน เช่น ประจุและสปิน อนุภาคคล้าย exciton นี้ยังสามารถอธิบายได้ว่าเป็นอะตอมที่แปลกใหม่ 

เนื่องจากจริงๆ แล้วมันคืออะตอมของไฮโดรเจนที่มีโปรตอนบวกเพียงตัวเดียวที่ถูกแทนที่ด้วยช่องว่าง(รู)บวกเพียงช่องเดียว 

ยังๆครับ มี excitons ก็ยังแบ่งออดเป็นสองประเภท คือ.. 

excitons บวก ซึ่งสปินของอิเล็กตรอนจะขนานกับสปินของรู 

และ excitons รอง ซึ่งสปินของอิเล็กตรอนจะขนานกัน (ขนานแต่ตรงกันข้าม) กับสปินของรู 

ซึ่งระบบหลุมอิเล็กตรอนนี้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเฟสอื่นๆ ของสสาร เช่น พลาสมาของหลุมอิเล็กตรอน และแม้กระทั่งหยดของเอ็กซิตอน นักวิจัยเพียงต้องการดูว่าพวกเขาสามารถสร้าง BEC โดยใช้ excitons ได้หรือไม่ในเบื้องต้นก่อนเท่านั้น 

โดยนักวิจัยใช้ความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอโดยใช้ชุดเลนส์วางใต้ตัวอย่าง (ลูกบาศก์สีแดง) ความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอส่งผลให้เกิดสนามความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักที่มีศักยภาพสำหรับ excitons ลำแสงกระตุ้น (เส้นทึบสีส้ม) โฟกัสที่ด้านล่างของศักยภาพกับดักในตัวอย่าง exciton (ทรงกลมสีเหลือง)ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอน (ทรงกลมสีน้ำเงิน) และเกิดรู (ทรงกลมสีแดง) ทีมวิจัยตรวจพบ excitons โดยการปล่อยแสง (แสงสีเหลือง) หรือการส่งผ่านที่แตกต่างกันของแสงโพรบ (แสงสีน้ำเงิน) วัตถุที่อยู่เบื้องหลัง 

 ตัวอย่างจะรวบรวมการเรืองแสงจาก excitons ลำแสงโพรบ แพร่กระจายผ่านก้อนวัตถุนี้ "การสังเกตโดยตรงของคอนเดนเสท exciton ในเซมิคอนดักเตอร์สามมิติเป็นที่ต้องการอย่างมากตั้งแต่มีการเสนอทางทฤษฎีครั้งแรกในปี 1962 ไม่มีใครรู้ว่าอนุภาคควอซิพี สามารถรับการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ได้เหมือนอนุภาคจริงหรือไม่" 

จนกระทั่งนาย Makoto Kuwata-Gonokami แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียว นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียและผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าว "มันเหมือนกับจอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์แห่งวงการแช่แข็ง" 

 นักวิจัยเชื่อว่าพาราซอน ที่คล้ายไฮโดรเจนที่ผลิตในคิวรัสออกไซด์ (CuO) ซึ่งเป็นสารประกอบของทองแดงและออกซิเจน เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการสร้าง exciton BECs ในเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก เนื่องจากพวกมันมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าสารใดๆ 

เมื่อย้อนกลับไปที่ความพยายามในปี 1990 ในการสร้าง BECs ตอนนั้น พาราเอ็กซิตอนที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลวประมาณ 2K นั้นล้มเหลว เนื่องจากในการสร้าง BEC จากเอ็กซิตอน จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่ามาก สารกระตุ้นที่เป็นบวกไม่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่ต่ำได้ 

 เนื่องจากอายุการใช้งานสั้นเกินไป

อย่างไรก็ตาม จากการทดลอง อายุการใช้งานของพาราเอ็กซิตอนนั้นยาวนานมาก เกินกว่าสองสามร้อยนาโนวินาที ก็เพียงพอที่จะทำให้พวกมันเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการของ BEC 

มาตอนนี้ ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการดักจับ paraexcitons ในคิวรัสไดออกไซด์( Cu2O ) โดยใช้ตู้เย็นเจือจาง ซึ่งเป็นอุปกรณ์อุณหภูมิต่ำที่เย็นลงโดยผสมไอโซโทปฮีเลียมสองไอโซโทปเข้าด้วยกัน 

 ซึ่งเป็นอุปกรณ์เดิมๆที่นักวิทยาศาสตร์มักใช้โดยพยายามใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม จากนั้นพวกเขาสังเกต BEC ที่กระตุ้นโดยตรงในพื้นที่จริง 

โดยใช้การถ่ายภาพการดูดกลืนแสงที่เหนี่ยวนำด้วยอินฟราเรดกลางซึ่งเป็นเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงในช่วงอินฟราเรดกลาง ซึ่งช่วยให้ทีมสามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำ รวมถึงความหนาแน่นและอุณหภูมิของสารกระตุ้น 

 ซึ่งทำให้สามารถจับคู่ความแตกต่างและความคล้ายคลึงระหว่าง BEC ของ excitonic และ atomic ปกติได้ โดยขั้นตอนต่อไปสำหรับกลุ่มนี้คือ 

การตรวจสอบพลวัตของการที่สาร BEC ที่ถูกกระตุ้นในสารกึ่งตัวนำจำนวนมาก และเพื่อศึกษาการกระตุ้นร่วมของ BEC ที่ถูกกระตุ้นด้วยความตื่นเต้น และเป้าหมายสูงสุดของพวกเขาคือการสร้างแพลตฟอร์มตามระบบ BEC ของ exciton เพื่ออธิบายคุณสมบัติของควอนตัมเพิ่มเติม และทำความเข้าใจกลไกควอนตัมของ qubits ควบคู่ไปกับสภาพแวดล้อมที่พวกเขาต้องการ