Vid extremt låga temperaturer, materia beter sig ofta annorlunda än under normala förhållanden. Vid temperaturer bara några få grader över absolut noll (-273 grader Celsius), Fysiska partiklar kan ge upp sitt oberoende och smälta samman under en kort tid till ett enda objekt där alla partiklar har samma egenskaper. Sådana strukturer är kända som Bose-Einstein-kondensat, och de representerar ett speciellt aggregerat tillstånd av materia.

Ett internationellt team av forskare ledda av fysikerna Dr Carlos Anton-Solanas och professor Christian Schneider från universitetet i Oldenburg har nu för första gången lyckats generera detta ovanliga kvanttillstånd i laddningsbärarkomplex som är nära kopplade till ljuspartiklar och lokaliserade i ultratunna halvledarark som består av ett enda lager av atomer. Som laget rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Naturmaterial , denna process producerar ljus som liknar det som genereras av en laser. Detta innebär att fenomenet skulle kunna användas för att skapa minsta möjliga halvledarlasrar.

Arbetet är resultatet av ett samarbete mellan Oldenburg-forskarna och forskargrupperna för professor Sven Höfling och professor Sebastian Klembt från universitetet i Würzburg (Tyskland), Professor Sefaattin Tongay från Arizona State University (USA), Professor Alexey Kavokin från Westlake University (Kina), och professor Takashi Taniguchi och professor Kenji Watanabe från National Institute of Materials Science i Tsukuba (Japan).

Studien fokuserar på kvasipartiklar som består av både materia och ljus, känd som exciton-polaritoner - produkten av starka kopplingar mellan exciterade elektroner i fasta ämnen och lätta partiklar (fotoner). De bildas när elektroner stimuleras av laserljus till ett högre energiläge. Efter en kort tid i storleksordningen en biljondels sekund, elektronerna återgår till sitt grundtillstånd genom att återutsända ljuspartiklar.

När dessa partiklar fastnar mellan två speglar, de kan i sin tur excitera nya elektroner – en cykel som upprepas tills ljuspartikeln slipper fällan. De lätt-materia-hybridpartiklar som skapas i denna process kallas exciton-polaritoner. De kombinerar intressanta egenskaper hos elektroner och fotoner och beter sig på ett liknande sätt som vissa fysiska partiklar som kallas bosoner. "Enheter som kan styra dessa nya ljus-materia tillstånd har löftet om ett tekniskt språng i jämförelse med nuvarande elektroniska kretsar, "sa huvudförfattaren Anton-Solanas, en postdoktor i Quantum Materials Group vid Oldenburgs universitets fysikinstitut. Sådana optoelektroniska kretsar, som arbetar med ljus istället för elektrisk ström, skulle kunna vara bättre och snabbare på att behandla information än dagens processorer.

I den nya studien, teamet ledd av Anton-Solanas och Schneider tittade på exciton-polaritoner i ultratunna kristaller bestående av ett enda lager av atomer. Dessa tvådimensionella kristaller har ofta ovanliga fysikaliska egenskaper. Till exempel, det halvledarmaterial som används här, molybden diselenid, är mycket reaktivt mot ljus.

Forskarna konstruerade ark av molybdendiselenid mindre än en nanometer (en miljarddels meter) tjocka och placerade den tvådimensionella kristallen mellan två lager av andra material som reflekterar ljuspartiklar som speglar gör. "Denna struktur fungerar som en bur för ljus, " förklarade Anton-Solanas. Fysiker kallar det en "mikrokavitet".

Anton-Solanas och hans kollegor kylde ner sin installation till några grader över absolut noll och stimulerade bildandet av exciton-polaritoner med hjälp av korta pulser av laserljus. Över en viss intensitet observerade de en plötslig ökning av ljusemissionerna från deras prov. Detta, tillsammans med andra bevis, tillät dem att dra slutsatsen att de hade lyckats skapa ett Bose-Einstein-kondensat av exciton-polaritoner.

"I teorin, detta fenomen kan användas för att konstruera koherenta ljuskällor baserade på bara ett enda lager av atomer, ", sa Anton-Solanas. "Detta skulle betyda att vi hade skapat den minsta möjliga halvledarlasern." Forskarna är övertygade om att med andra material kan effekten även produceras vid rumstemperatur, så att det på lång sikt också skulle vara lämpligt för praktiska tillämpningar. Teamets första experiment på väg i denna riktning har redan varit framgångsrika.