Forskare vid Aalto-universitetet, Finland, har skapat ett Bose-Einstein-kondensat av ljus kopplat till metallelektroner, så kallade ytplasmonpolaritoner. För nästan 100 år sedan, Albert Einstein och Satyendra Nath Bose förutspådde att kvantmekaniken kunde tvinga ett stort antal partiklar att bete sig tillsammans som om de bara vore en enda partikel. Denna form av materia kallades en Bose-Einstein kondensation, och det var inte förrän 1995 som forskare skapade det första sådana kondensatet av en gas av alkaliatomer.

Även om Bose-Einstein-kondenser har observerats i flera system, forskare tänjer på gränserna för fenomenet – till snabbare tidsskalor, högre temperaturer, och mindre storlekar. När det blir lättare att skapa dessa kondensat, fler spännande vägar öppna för nya tekniska tillämpningar. Nya ljuskällor, till exempel, kan vara extremt liten i storlek och möjliggöra snabb informationsbehandling.

Aalto-forskare gjorde kondenserade partiklar från blandningar av ljus och elektroner i rörelse inom guldnanorods arrangerade i en periodisk array. Till skillnad från de flesta tidigare experimentella Bose-Einstein-kondensat, det nya kondensatet behöver inte kylas ner till temperaturer nära absolut noll, eftersom partiklarna mestadels är lätta, kondensationen kunde induceras i rumstemperatur.

"Guldnanopartikelmatrisen är lätt att skapa med moderna nanotillverkningsmetoder. Nära nanoroderna, ljus kan fokuseras till små volymer, även under ljusets våglängd i vakuum. Dessa funktioner erbjuder intressanta möjligheter för grundläggande studier och tillämpningar av det nya kondensatet, säger Akademiprofessor Päivi Törmä.

Det största hindret för att få bevis för den nya typen av kondensat är att det kommer till extremt snabbt." Enligt våra teoretiska beräkningar, kondensatet bildas på bara en pikosekund, säger doktoranden Antti Moilanen.

"Hur skulle vi någonsin kunna verifiera existensen av något som bara varar en biljondels sekund?"

Att förvandla avstånd till tid

En nyckelidé var att initiera kondensationsprocessen med en kick så att partiklarna som bildar kondensatet skulle börja röra på sig.

"När kondensatet tar form, det kommer att avge ljus genom hela guld nanorod-arrayen. Genom att observera ljuset, vi kan övervaka hur kondenseringen fortskrider i tid. Så här kan vi förvandla avstånd till tid, " förklarar personalforskaren Tommi Hakala.

Ljuset som kondensatet avger liknar laserljus. "Vi kan ändra avståndet mellan varje nanorod för att kontrollera om Bose-Einstein kondensation eller bildandet av vanligt laserljus inträffar. De två är nära besläktade fenomen, och att kunna skilja mellan dem är avgörande för grundforskningen. De lovar också olika typer av tekniska tillämpningar, " förklarar professor Törmä.

Både lasring och Bose-Einstein-kondensering ger ljusa strålar, men koherenserna i ljuset de erbjuder har olika egenskaper. Dessa, i tur och ordning, påverka hur ljuset kan ställas in för att möta kraven för en specifik applikation. Det nya kondensatet kan producera ljuspulser som är extremt korta och kan erbjuda högre hastigheter för informationsbehandling och bildbehandling. Akademiprofessor Törmä undersöker redan sådana möjligheter.