アメリカのローレンス・バークレー国立研究所の研究者たちは、エキシトンから構成される調整可能なボース-アインシュタイン凝縮体（BEC）を観察しました。この凝縮体は原子レベルの薄い半導体内に存在しています。科学者たちが一般的に想定しているBECとは異なり、研究者たちはこの凝縮体が磁場によって調整可能な内部構造を持つことを発見しました。BECは、複数の粒子が集まって一つのコヒーレントな物体として振る舞うコヒーレントな量子状態です。科学者たちはこれを物質の第5の状態とも呼んでいます。なぜなら、これらの粒子は個別のアイデンティティを失い、全体として振る舞うからです。
60年以上にわたり、科学者たちはエキシトンまたは電子-ホール対を利用してBECを生成することに取り組んできました。しかし、半導体デバイス内では、このプロセスは特に困難です。なぜなら、光学的に生成されたエキシトンの寿命は非常に短く、通常は10億分の1秒を超えないからです。カリフォルニア大学バークレー校の材料科学部の上級科学者である王峯氏は、「以前の研究では、電子とホールが結合してエキシトンを形成できることが示されていましたが、これらのエキシトンが凝縮体を形成しているかどうかを確認する簡単な方法はなく、またその凝縮体がどのような内部量子秩序を持っているかも特定できませんでした。」と説明しています。彼は「私たちの研究は、その隠れた構造に直接アクセスする方法を提供します。」と述べました。
研究はボース-アインシュタイン凝縮体が調整可能な内部構造を持つことを示す
エキシトンは、励起された電子と正電荷を持つホールのペアから形成される準粒子です。ほとんどの実験では、エキシトンは光を使用して生成され、短命な励起状態に存在します。研究の中で、王峯氏と彼のチームは、エキシトンが基底状態で観察できるようにするための二次元半導体デバイスを設計しました。このデバイスは、モリブデン二硫化物（MoSe2）とタンタル二硫化物（WSe2）の2層の原子レベルの薄い半導体材料で構成されています。この設定では、MoSe2が上層として電子を保持し、下層のWSe2が電子ホールを保持します。2層の間には、数原子の厚さの六方晶窒化ホウ素（hBN）の層が隔てられており、これにより強く引き合ってエキシトンを生成することができます。
低温条件下で、研究者たちは磁光スペクトロスコピー技術を使用してデバイスを絶対零度に近い温度まで冷却し、電子とホール成分の小さな磁場に対する応答を測定しました。エキシトンの挙動は予想通りに集団的に行われました。しかし、研究者たちは2ケルビンまでの温度で凝縮体の特徴を観察しました。これらの温度は非常に寒いものですが、超冷却原子ガスで観察されるBECのデモよりも数百万倍高いです。
原子レベルの薄い半導体内で、電子とホールは電荷とスピンのキャリアだけでなく、「谷」と呼ばれる量子特性のキャリアでもあります。これは、結晶材料内での運動や自由度に関連しており、エキシトンに多様なフレーバーやスピンモードを与えます。研究の中で、王峯氏と同僚は、ボース-アインシュタイン凝縮体が単一フレーバーの量子状態だけでなく、異なるフレーバーの内部スピン-谷構造を持つ2つの成分を持つことを発見しました。これにより、単にユニークであるだけでなく、磁場によって開くことができる多様な凝縮体相が生じました。この設定内のエキシトンは単なる短命の粒子ではなく、バランスの取れた量子流体を形成し、電気と磁気によって調整可能です。
これは、単なる凝縮体ではなく、科学者が制御できる内部構造を持っているためです。この研究は、固体材料内で量子流体を研究するための道を開きます。これは、量子技術を利用して次世代の通信および計算分野を発展させるのに役立つでしょう。また、エキシトンに基づくデバイスの開発にも寄与することが、プレスリリースで指摘されています。
この研究結果は『Nature』誌に発表されました。