Bose-kondenserade kvantvätskor är inte för evigt. Sådana tillstånd inkluderar superfluider och Bose-Einstein-kondensat (BEC).

Det finns en vacker renhet i sådana exotiska tillstånd, där varje partikel är i samma kvanttillstånd, gör att kvanteffekter kan ses på en makroskopisk nivå som är synlig i ett enkelt mikroskop.

Men i verkligheten inte alla partiklar stannar kvar i kondensatet även vid absoluta nollpunkten där, klassiskt, partiklar förväntas stå stilla. Istället, interaktionsinducerade kvantfluktuationer gör att partiklarna kolliderar, oundvikligen driver ut vissa partiklar ur kondensatet, ett fenomen som kallas "kvantutarmning".

Denna effekt är otroligt stark i superfluid helium-4, den första kända supervätskan, så att 90 % av partiklarna drivs ut ur kondensatet. Dock, i extremt utspädd, ultrakalla atomgaser, som bildar de typiska Bose-Einstein kondensat (BEC) vi känner till, effekten är mycket svagare, nästan försumbar.

Även om kvantutarmning har beskrivits väl teoretiskt (av den 70-åriga teorin utvecklad av Nikolay Bogoliubov), det har historiskt sett varit svårt att mäta i en atomär BEC av ett antal skäl.

Istället för atompartiklar, fysiker vid Australian National University (ANU) använder exciton-polaritoner, hybridpartiklar med både lätt- och materiakaraktär, som tillåter detektering av momentum utan någon distorsion.

ANU-teamet, ledd av professor Elena Ostrovskaya, framgångsrikt upptäckt de utdrivna partiklarna genom att blockera ljuset, med en rakkniv, släpps ut av det otroligt ljusa kondensatet. "Det är som att återskapa en solförmörkelse, " säger studiens huvudförfattare Dr. Maciej Pieczarka. "Månen blockerar den ljusa solen (kondensatet) och exponerar dess härliga korona (excitationerna)."

Studien representerar den första direkta observationen av kvantutarmning i ett icke-jämviktskondensat från Bose-Einstein (BEC).

"Ljusliknande" kondensat beter sig inte som vi skulle förvänta oss. det finns ingen förklaring till detta beteende

Ett överraskande resultat av studien erbjuder en ny utmaning för fysiken av kvantvätskor som inte är i jämvikt. Exciton-polariton-kondensat kan ställas in från mer materieliknande (excitonisk) till mer ljusliknande (fotonisk), möjliggör jämförelse med teorier om atomärt (materia) jämviktskondensat och om icke-jämviktskvantvätskor av ljus.

Forskarna fann att när kondensat var "materialiknande, " de uppförde sig exakt som förväntat för en BEC i termisk jämvikt (beskrivs av den mångåriga Bogoliubov-teorin).

Dock, kondensat som var "ljusliknande" avvek från det förväntade Bogoliubov-beteendet, på ett sätt som inte beskrivs av några existerande teorier

Kortfattat, även om dessa kondensat är drivna avledande, de kan bete sig som atomkondensat i jämvikt (när de är materieliknande) eller en icke-jämviktskvantvätska (när de är ljusliknande).

Negativ excitation observerad

Forskningen löser ett långvarigt problem i exciton-polaritonkondensat:problemet med synlighet av excitationsgrenar.

Kvantutarmning leder till synlighet av spökgrenar i spektrumet av excitationer. Tidigare, endast de positiva eller normala excitationerna hade någonsin observerats i en spontant skapad, steady-state BEC, medan de negativa eller spökexcitationer som Bogoliubov förutspådde undgick observationer i denna regim.

Nu, ANU-teamet använde interaktionsdominerade högdensitetskondensat, i steady state-regimen, till ökar den mycket svaga signalen från spökpartiklarna. Denna studie visar den första tydliga experimentella observationen av denna spökgren av elementära excitationer i en spontant skapad, steady-state exciton-polariton-kondensat.

Till skillnad från sin vanliga motsvarighet, spökpartiklarna kan bara skapas av kvantfluktuationer och deras upptäckt i denna studie är den rykande pistolen för kvantutarmningen av exciton-polaritonkondensat.

"Det ironiska med dessa utdrivna partiklar är att även om de inte är en del av kondensatet, de berättar faktiskt nästan allt om det utarmade kondensatet, " säger medförfattaren Dr. Eliezer Estrecho.

Det ANU-ledda teamet använde observationen av spökgrenen för att noggrant mäta styrkan av interaktioner mellan exciton-polaritoner, en nyckelparameter som hade en kontroversiellt stor osäkerhet utifrån andra gruppers mätningar. Resultatet överensstämmer helt med tidigare arbete av ANU-teamet (se nedan), där den höga densiteten, interaktionsdominerat kondensat kombinerades serendipitalt med hålförbränningseffekten. Utmärkt överensstämmelse med teorin har äntligen löst kontroversen.

Supervätskor och kvantkondensat

Supervätskor, som Helium-4, är nära besläktade med Bose-Einstein-kondensat (BEC) av interagerande bosoner.

"Quantum depletion" beskriver processen genom vilken, även vid absolut noll, några av partiklarna som upptar det makroskopiska kvanttillståndet exciteras till högre momentumtillstånd via interpartikelinteraktioner och kvantfluktuationer.

Väsentligen, sådana partiklar drivs ut ur kondensatet.

Kvantutarmning är särskilt svår att mäta i icke-jämviktssystem som exciton-polariton-kondensat (fotoner kopplade till elektron-hål-par i en halvledare) eftersom det finns andra processer som kan producera samma utstötande effekt

I den nya studien, Kvantutarmning av ett optiskt infångat exciton-polaritonkondensat med hög densitet observeras genom att direkt detektera processens kontrollanta signatur av spökpartiklarna som upptar den negativa grenen av elementära excitationer.

"Resultaten kräver en djupare förståelse av förhållandet mellan jämvikts- och icke-jämvikts-BEC, säger professor Elena Ostrovskaya.

Laget, som inkluderar teorisamarbetare inom Monash University-noden i FLEET, utökar nu sitt arbete för att belysa djupare underliggande egenskaper, som faserna och universella relationer, av denna lätt-materia-hybrid av ett kondensat.

"Observation av kvantutarmning i ett icke-jämviktsexciton-polaritonkondensat" publicerades i Naturkommunikation i januari.