Ett ANU-förskott ger aldrig tidigare uppnådd "ögonblicksbild" av Bose-Einstein-kondens.

Tidigare, observationer av exciton-polaritoner i ett Bose-Einstein-kondensat var begränsade till statistiska medelvärden över miljontals kondenshändelser.

"Snapshot" avbildning av polaritoner som bildar ett kondensat i en typisk oorganisk halvledare ansågs omöjlig.

Nu, FLEET-forskare vid Australian National University har lett en internationell studie som avbildar exciton-polaritoner för första gången som ett '' enda skott '', snarare än genomsnittet.

"Detta ger en unik möjlighet att förstå detaljerna i Bose-Einsteins kondensation av exciton-polaritoner, "förklarar huvudförfattaren Eliezer Estrecho.

Sådana grundläggande framsteg hjälper också FLEETs forskning om excitonisk kondens och överflödighet som en mekanism för elektronisk ledning utan slösad energispridning.

Exciton-polaritons är hybridpartiklar som är delmaterial och del-ljus, bunden av stark koppling av fotoner och elektronhålspar (excitoner) inom halvledarmikrohålor, där de kan bilda ett Bose-Einstein-kondensat.

Ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) är ett kvanttillstånd i materia där alla partiklar har samma energi och våglängd, vilket innebär att kvanteffekter kan ses i en makroskopisk skala. En BEC kan bilda en supervätska, dvs flöde utan motstånd.

Men eftersom exciton-polaritons livslängd mäts i picosekunder (biljondelar av en sekund), observationer av BEC har tidigare alltid inkluderat ett genomsnitt av över miljoner livstider för exciton-polaritoner.

Det här är som att ta en lång exponering av rörliga föremål - du får en suddig bild.

ANU-teamet såg till att deras känsliga kamera bara fångar en livstid eller "enkelbild" av kondensatet, gör det möjligt för dem att observera aldrig tidigare sett beteende hos exciton-polaritoner.

Studien

Single-shot imaging utförs genom att analysera koherent fotoluminescens i håligheten på grund av förfall av exciton-polaritoner. "Före nu, "säger docent Elena Ostrovskaya, "Detta ansågs vara omöjligt i oorganiska mikrohålor, eftersom utsläppen helt enkelt inte var tillräckligt ljusa. "

Tätheten av exciton-polaritoner som är fångade i oorganiska mikrokaviteter är för låg för att detekteras i enkelslagsläge, delvis för att exciton-polariton inte lever tillräckligt länge för att densiteten ska byggas upp.

För att få en bättre signal, laget använde prover av extremt hög kvalitet som designats och tillverkats av deras medarbetare i USA, att förlänga polaritons livslängd med en storleksordning och skjuta tätheten tillräckligt hög för att den känsliga kameran ska kunna upptäcka.

Bilden avslöjade att i motsats till det släta kondensatet som observerades i genomsnittliga experiment, kondensatet bildar faktiskt trådar (se bilden nedan) vars orientering varierar från skott till skott.

Denna filamentation är ett resultat av polariton -interaktion med en osammanhängande reservoar, och är en inneboende egenskap för icke-jämviktskondensation.

Denna funktion är särskilt uttalad för exciton-polaritoner med fotonliknande karaktär och är mindre uppenbar för exciton-polaritoner med excitonliknande beteende, som ligger närmare jämvikt.

Studien fann en anmärkningsvärd överensstämmelse mellan experiment och numeriska simuleringar, validering av bakgrundsteorin för exciton-polariton-kondensatdynamik.

Arbetet banar väg för ytterligare grundläggande studier av kvantfasövergångar och icke-jämviktskondensation i solid state-system.

Enkelspelsexperimenten kan visa sig vara avgörande för vår förståelse av den grundläggande (och fortfarande debatterade) karaktären hos den kondenserade fasen i dessa system.

Studien, "Enskottskondensation av excitonpolaritoner och hålförbränningseffekten, "publicerades i Naturkommunikation i augusti 2018.